Cavalieri-elv

A Cavalieri-elv szemléltetése

A Cavalieri-elv a geometriában, jelesül a térfogatszámításban használt eljárás. Lényege, hogy két test térfogata között állít fel egyenlőséget, így az egyébként nehezen számolható térfogatú testek esetén is kezelhető számításokat végezhetünk.

A tétel

Népszerű megfogalmazás szerint a Cavalieri-elv azt mondja ki, hogy ha két testet azonos síkokkal vágunk szeletekre, és ezen szeletek alapterülete egyenlő, akkor a két test térfogata egyenlő. Valójában azonban a tétel ennél erősebb.Sablon:Jegyzet*

Állítás

Ha két test ugyanazon féltér határán található, az egyes síkmetszeteik páronként azonos területűek, és van olyan, a határt metsző egyenes a féltérben, amivel párhuzamos egyenesek testekkel való metszéspontjai a féltér határáig tartó szakaszt alkotnak, akkor a két testnek van térfogata, és ezek egyenlőek.

Bizonyítás

Vegyünk két testet, amikre a tétel feltételei érvényesek. Osszuk fel mindkét test m magasságát n egyenlő részre, és ezeken a metszéspontokon át metsszük el a testeket párhuzamos síkokkal. A síkmetszetekre felfelé és lefelé állítsunk m/n magasságú, a metsző egyenesekkel párhuzamos tengelyű hengereket.Sablon:Jegyzet* Ezek térfogata egyenlő lesz. A két testet páronként egybevágó hengerek sorozatával közelítjük. Ha a magasság felbontását finomítjuk, akkor ez az egyenlőség folyamatosan fennáll, tehát ha van a két testnek térfogata, akkor az feltétlenül egyenlő.

Igazoljuk hát, hogy van térfogatuk! Akármelyik testet nézzük, az eljárás révén a test térfogatát egy külső és egy belső hengersorral közelítjük. Ezek térfogata legyen V(O) és V(I)! Ekkor van olyan ε valós szám, hogy

$V(O)-V(I)\le \frac{\epsilon }{t},$

ahol t a síkmetszet területe. Mivel ε a felosztástól függ, ezért

$\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\epsilon =\underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{c\cdot m}{n}=c\cdot m\cdot \underset{n\to \mathrm{\infty }}{\lim }\frac{1}{n}=0,$

így határértékben a két térfogat megegyezik. Ebből következik, hogy a testnek van térfogata. QED

Alkalmazások

A Cavalieri-elvnek jellemző alkalmazása különféle testek térfogatának meghatározása.

Gömb térfogatának meghatározása

Adott egy r sugarú félgömb. Vegyünk fel a lapjával azonos síkon fekvő, r sugarú és magasságú egyenes hengert! A féltér határával párhuzamos, attól 0≤x≤r magasságban lévő metsző sík által a gömbből kimetszett kör sugara a Pitagorasz-tétel szerint

$\rho =\sqrt{r^2-x^2},$

így a kör területe

$A=\pi {\rho }^2=\pi (r^2-x^2)=\pi r^2-\pi x^2.$

Az első tag a henger síkmetszeteinek területét adja. Mivel x lineárisan nő 0-tól r-ig, ezért a második tag egy kúp síkmetszeteinek területe, amely középpontja a határoló félsíkon, a henger tengelyegyenesén van és alaplapja a henger felső alaplapja. Mindkét test esetében a határsíkra merőleges egyenesek a Cavalieri-elv által megkívánt tulajdonságúak, így a félgömb térfogata a henger megmaradó részének térfogatával egyenlő.

A henger térfogata

$V_c=\pi r^3,$

a kúpé

$V_k=\frac{\pi r^3}{3},$

azért a két test különbségének térfogata

$V=V_c-V_k=\pi r^3-\frac{\pi r^3}{3}=\frac{2\pi r^3}{3}.$

Ez a félgömb térfogata, a teljes gömb ennek a duplája, így

$V_s=\frac{4\pi r^3}{3}.$ QED

Források

• Sablon:Cite book