قضیه پاپوس (Pappus’s Theorem) – از صفر تا صد

سید سراج حمیدی
سید سراج حمیدی
۱۴۰۲/۰۲/۱۶
۱۸ دقیقه
۴۴۲۰
آموزش متنی جامع

قضیه پاپوس (Pappus’s Theorem)، که با نام قضیه مرکزوار پاپوس (Pappus’s Centroid Theorem)، قضیه پاپوس-گلدینوس (Pappus-Guldinus Theorem) و قضیه گلدینوس (Guldinus Theorem) نیز شناخته می‌شود، به محاسبه مساحت رویه و حجم جسم حاصل از دوران می‌پردازد. در این آموزش، با قضیه پاپوس آشنا می‌شویم و مثال‌هایی را درباره آن ارائه خواهیم کرد.

قضیه پاپوس (Pappus’s Theorem) – از صفر تا صد
997696
قضیه پاپوس، در واقع، شامل دو قضیه است که با استفاده از آن، می‌توان مساحت رویه و حجم اجسام را بدون نیاز به انتگرال‌گیری به دست آورد.

قضیه پاپوس برای محاسبه مساحت رویه

اولین قضیه پاپوس بیان می‌کند که مساحت رویه AA که از دوران منحنی CC حول محور غیرمتقاطع واقع در صفحه آن به دست آمده است، برابر با حاصل‌ضرب طول LL منحنی در فاصله dd است که توسط مرکزوار CC پیموده شده است:

A=Ld.\large A = L d .

شکل ۱
شکل ۱
مرکزوار یا گرانیگاه یک شکل مسطح، محل تقاطع تمام خط‌های راستی است که آن را به دو بخش با گشتاور یکسان در پیرامون خط تقسیم می‌کند.

قضیه پاپوس برای محاسبه حجم حاصل از دوران

دومین قضیه پاپوس بیان می‌کند که حجم فضای حاصل از دورانِ لایه FF حول یک محور غیرمتقاطع با آن در همان صفحه، برابر است با حاصل‌ضرب مساحت AA لایه FF در مسافت dd پیموده شده توسط مرکزوار FF:

V=Ad.\large V = A d .

شکل ۲ 
شکل ۲

حجم و مساحت رویه یک چنبره

یک چنبره (Torus) جسم یا فضای حاصل از دوران یک دایره حول یک محور هم‌صفحه با آن است.

می‌توان به سادگی مساحت رویه‌ یک چنبره را با استفاده از اولین قضیه پاپوس پیدا کرد. اگر شعاع دایره rr و فاصله مرکز دایره تا محور دوران RR باشد، مساحت رویه چنبره به صورت زیر محاسبه می‌شود:

A=Ld=2πr⋅2πR=4π2rR.\large { A = L d = 2 \pi r \cdot 2 \pi R } = { 4 { \pi ^ 2 } r R . }

شکل ۳
شکل ۳

حجم درون چنبره نیز از قضیه دوم پاپوس به دست می‌آید:

V=Ad=πr2⋅2πR=2π2r2R.\large { V = A d = \pi { r ^ 2 } \cdot 2 \pi R } = { 2 { \pi ^ 2 } { r ^ 2 } R . }

از قضیه پاپوس می‌توان به صورت معکوس و برای یافتن مرکزوار یک منحنی نیز استفاده کرد.

مثال‌ها

در این بخش، مثال‌های متنوعی از قضیه پاپوس را بررسی می‌کنیم.

مثال ۱

یک شش‌ضلعی منتظم با اضلاعی به طول aa، حول یک ضلع دوران می‌کند. حجم فضای حاصل از دوران را به دست آورید.
شکل ۴ 
شکل ۴

حل: با داشتن اندازه ضلع aa، می‌توانیم به سادگی فاصله مرکز چنبره از محور دوران (mm) را پیدا کنیم:

m=a2cot⁡30∘=a32.\large m = \frac { a } { 2 } \cot 3 0 ^ { \circ } = \frac { { a \sqrt 3 } } { 2 } .

بنابراین، مسافت پیموده شده dd توسط مرکزوار CC با دوران شش‌ضلعی، به فرم زیر نوشته می‌شود:

d=2πm=2π⋅a32=πa3.\large { d = 2 \pi m = 2 \pi \cdot \frac { { a \sqrt 3 } } { 2 } } = { \pi a \sqrt 3 . }

مساحت AA شش‌ضلعی برابر است با:

A=a2332.\large A = { a ^ 2 } \frac { { 3 \sqrt 3 } } { 2 } .

با استفاده از دومین قضیه پاپوس، حجم حاصل از دوران به دست می‌آید:

V=Ad=a2332⋅πa3=9πa32.\large { V = A d = { a ^ 2 } \frac { { 3 \sqrt 3 } } { 2 } \cdot \pi a \sqrt 3 } = { \frac { { 9 \pi { a ^ 3 } } } { 2 } . }

مثال ۲

مرکزوار یک نیم‌دایره یکنواخت به شعاع RR را محاسبه کنید.

شکل ۵
شکل ۵

حل: فرض می‌کنیم mm فاصله بین مرکزوار GG و محور دوران باشد. وقتی نیم‌دایره یک دور کامل بچرخد، مرکزوار مسیر dd را می‌پیماید که برابر است با:

d=2πm.\large d = 2 \pi m .

جسم حاصل از دوران، یک کره با حجم زیر است:

V=4πR33.\large V = \frac { { 4 \pi { R ^ 3 } } } { 3 } .

طبق دومین قضیه پاپوس، رابطه زیر را داریم:

V=Ad\large V = A d

که در آن، A=πR22A = \large{\frac{{\pi {R^2}}}{2}}\normalsize مساحت نیم‌دایره است.

بنابراین، خواهیم داشت:

m=V2πA=4πR332π⋅πR22=4R3π≈0.42R\large { m = \frac { V } { { 2 \pi A } } } = { \frac { { \frac { { 4 \pi { R ^ 3 } } } { 3 } } } { { 2 \pi \cdot \frac { { \pi { R ^ 2 } } } { 2 } } } } = { \frac { { 4 R } } { { 3 \pi } } } \approx { 0 . 4 2 R }

مثال ۳

یک بیضی با نیم‌قطر بزرگ AA و نیم‌قطر کوچک bb حول یک خط راست موازی با محور aa می‌چرخد و فاصله‌اش با آن، m>bm> b است. حجم حاصل از دوران را با استفاده از قضیه پاپوس بیابید.
شکل ۶
شکل ۶

حل: حجم حاصل از دوران را می‌توان با استفاده از قضیه دوم پاپوس تعیین کرد:

V=Ad.\large V = A d .

در یک دور، مسافت dd توسط مرکزوار بیضی پیموده می‌شود که اندازه آن برابر است با:

d=2πm.\large d = 2 \pi m .

مساحت بیضی نیز با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

A=πab.\large A = \pi a b .

بنابراین، حجم برابر است با:

V=Ad=πab⋅2πm=2π2mab.\large { V = A d = \pi a b \cdot 2 \pi m } = { 2 { \pi ^ 2 } m a b . }

به طور خاص، وقتی m=2bm = 2 b، حجم برابر با V=4π2ab2V = 4{\pi^2}a{b^2} خواهد بود.

مثال ۴

مثلثی با رئوس A(1,2)A\left( {1,2} \right)، B(2,6)B\left( {2,6} \right) و C(6,2)C\left( {6,2} \right) حول محور xx دوران می‌کند. حجم حاصل از این دوران را به دست آورید.

شکل ۷
شکل ۷
حل: از آنجایی که مختصات رئوس را می‌دانیم، می‌توانیم به سادگی مساحت مثلث را به دست آوریم. ابتدا دترمینان زیر را محاسبه می‌کنیم:
$$ \large { \Delta = \left | { \begin {array} { * { 2 0 } { c } }<br /> { { x _ B } – { x _ A } } & { { y _ B } – { y _ A } } \\<br /> { { x _ C } – { x _ A } } & { { y _ C } – { y _ A } }<br /> \end {array} } \right | } = { \left | { \begin {array} { * { 2 0 } { c } }<br /> 1 & 4 \\<br /> 5 & 0<br /> \end {array} } \right | } = { – 2 0 . } $$

مطالب مجله فرادرس را در جستجوی گوگل سریع‌تر ببینید

بر اساس رای ۷ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر پرسشی درباره این مطلب دارید، آن را با ما مطرح کنید.
منابع:
Math24
PDF
مطالب مرتبط
۱ دیدگاه برای «قضیه پاپوس (Pappus’s Theorem) – از صفر تا صد»

ممنون خیلی با زبان ساده و توضیحات خوب تدریس شده بود،امیدوارم‌تو امتحان هم برام اینقد ساده قابل حل باشه🙏

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *