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Área

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Three shapes on a square grid
Área, coloreada, de tres figuras geométricas simples

Eláreaes unconcepto métricoque puede permitir asignar unamedidaa la extensión de unasuperficie,expresada en matemáticas comounidades de medidadenominadasunidades de superficie.[1]​ El área es un concepto métrico que requiere la especificación de unamedida de longitud.

Eláreaes unamagnitudmétricade tipoescalardefinida como la extensión endos dimensionesde una recta al plano delespacio.

Para superficies planas, el concepto es más intuitivo. Cualquier superficie plana de lados rectos —es decir, cualquierpolígono— puedetriangularse,y se puede calcular su área como suma de las áreas de los triángulos en que se descompone.[2]​ Ocasionalmente se usa el término "área" como sinónimo de superficie,[3]​ cuando no existe confusión entre el concepto geométrico en sí mismo (superficie) y la magnitud métrica asociada al concepto geométrico (área).

Para una forma sólida como unaesfera,unconoo uncilindro,el área de su superficie límite se denominaárea superficial.Losantiguos griegoscalcularon fórmulas para las áreas superficiales de formas simples, pero calcular el área superficial de unafiguramás complicada suele requerir cálculo multivariable.

Sin embargo, para calcular el área de superficies curvas se requiere introducir métodos degeometría diferencial.

Three shapes on a square grid
Este cuadrado y este disco tienen la misma área (véase:cuadratura del círculo).

Para poder definir el área de una superficie en general —que es un conceptométrico—, se tiene que haber definido untensor métricosobre la superficie en cuestión: cuando la superficie está dentro de unespacio euclídeo,la superficie hereda una estructura métrica natural inducida por la métrica euclidiana.

Historia[editar]

La idea de que el área es la medida que proporciona el tamaño de la región encerrada en unafigura geométricaproviene de la antigüedad. En elantiguo Egipto,tras la crecida anual de ríoNiloinundando los campos, surge la necesidad de calcular el área de cada parcela agrícola para restablecer sus límites; para solventar eso, los egipcios inventaron lageometría,segúnHeródoto.[4]

El modo de calcular el área de un polígono como la suma de las áreas de los triángulos, es un método que fue propuesto por primera vez por el sabio griegoAntifónhacia el año 430 a. C. Hallar el área de una figura curva genera más dificultad. Elmétodo exhaustivoconsiste en inscribir y circunscribir polígonos en la figura geométrica, aumentar el número de lados de dichos polígonos y hallar el área buscada. Con el sistema que se conoce comométodo exhaustivodeEudoxo,consiguió obtener una aproximación para calcular el área de uncírculo.Dicho sistema fue empleado tiempo después porArquímedespara resolver otros problemas similares,[5]​ así como el cálculo aproximado delnúmero π.

Área del círculo[editar]

En el sigloVa. C.,Hipócrates de Quíosfue el primero en mostrar que el área de un círculo (la región encerrada por una circunferencia) es proporcional al cuadrado de su diámetro, como parte de sucuadratura de la lúnula,[6]​ pero no identificó laconstante de proporcionalidad.Eudoxo de Cnido,también en el s.Va. C., encontró también que el área de un círculo es proporcional a su radio al cuadrado.[7]

Posteriormente, el Libro I de losElementosde Euclidesse ocupó de la igualdad de áreas entre figuras bidimensionales. El matemáticoArquímedesusó las herramientas de lageometría euclidianapara mostrar que el área dentro de un círculo es igual a la de untriángulo rectángulocuya base tiene la longitud de la circunferencia del círculo y cuya altura es igual al radio del círculo, en su libroSobre la medida del círculo.(La circunferencia es 2πr, y el área de un triángulo es la mitad de la base por la altura, lo que da como resultado el área πr2del disco). Arquímedes aproximó el valor de π (y por lo tanto el área de un círculo de radio unitario) con su método, en el que inscribió un triángulo regular en un círculo y anotó su área, luego duplicó el número de lados para dar un hexágono regular, luego duplicó repetidamente el número de lados a medida que el área del polígono se acercaba más y más a la del círculo (e hizo lo mismo con polígonos circunscritos).[5]

El científico suizoJohann Heinrich Lamberten 1761 demostró que π, la relación entre el área de un círculo y su radio al cuadrado, esirracional,lo que significa que no es igual al cociente de dos números enteros.[8]​ En 1794, el matemático francésAdrien-Marie Legendredemostró que π2es irracional; esto también prueba que π es irracional.[9]​ En 1882, el matemático alemánFerdinand von Lindemanndemostró que π estrascendental(no es la solución de ningunaecuación polinómicacon coeficientes racionales), lo que confirma una conjetura de Legendre y Euler.[8]: p. 196 

Área del triángulo[editar]

Herón de Alejandríaencontró lo que se conoce como lafórmula de Herónpara el área de un triángulo en términos de sus lados, y se puede encontrar una prueba en su libroMétrica,escrito alrededor del 60 d. C. Se ha sugerido queArquímedesconocía la fórmula más de dos siglos antes,[10]​ y dado queMétricaes una colección del conocimiento matemático disponible en el mundo antiguo, es posible que la fórmula sea anterior a la referencia dada en ese trabajo.[11]

En 499Aryabhata,un matemático-astrónomo de la época clásica de las matemáticas y la astronomía indias, expresó el área de un triángulo como la mitad de la base por la altura en elAryabhatiya(sección 2.6).

Los chinos descubrieron una fórmula equivalente a la de Herón independientemente de los griegos. Fue publicado en 1247 en Shushu Jiuzhang («Tratado matemático en nueve secciones»), escrito porQin Jiushao.

Definición formal[editar]

Un enfoque para definir lo que se entiende por «área» es a través deaxiomas.El «área» se puede definir como una función de una colección M de un tipo especial de figuras planas (denominadas conjuntos medibles) al conjunto de números reales, que satisface las siguientes propiedades:[12]

  • Para todoSenM,a(S)≥ 0.
  • SiSyTestán enM,entonces también lo estánSTyST,y tambiéna(ST) =a(S) +a(T) −a(ST).
  • SiSyTestán enMconSTentoncesT-Sestá enMya(TS) =a(T) −a(S).
  • Si un conjuntoSestá enMySes congruente conT,entoncesTtambién está enMya(S) =a(T).
  • Todo rectánguloRestá enM.Si el rectángulo tiene una longitudhy una anchurak,entoncesa(R) =hk.
  • SeaQun conjunto encerrado entre dos regiones escalonadasSyT.Una región escalonada se forma a partir de una unión finita de rectángulos adyacentes que descansan sobre una base común, es decir,SQT.Si hay un número únicoctal quea(S) ≤ c ≤a(T) para todas esas regiones escalonadasSyT,entoncesa(Q) =c.

Se puede probar que tal función de área existe realmente.[13]

Confusión entre área y perímetro[editar]

Cuanto más cortes se hacen, más disminuye el área y aumenta el perímetro.

Elperímetroes, junto con el área, una de las dos medidas principales de las figuras geométricas planas. A pesar de que no se expresan en la misma unidad, es común confundir estas dos nociones[14]​ o creer que cuanto mayor es una, mayor es también la otra. De hecho, la ampliación (o reducción) de una figura geométrica aumenta (o disminuye) simultáneamente su área y su perímetro. Por ejemplo, si un pedazo de tierra se muestra en un mapa a unaescalade 1:10 000, el perímetro real de la tierra se puede calcular multiplicando el perímetro de la representación por 10 000 y el área multiplicando el de la representación por 10 0002.Sin embargo, no existe un vínculo directo entre el área y el perímetro de ninguna figura. Por ejemplo, un rectángulo que tiene un área igual a un metro cuadrado puede tener como dimensiones, en metros: 0,5 y 2 (por lo tanto un perímetro igual a 5 m) pero también 0,001 y 1000 (por lo tanto un perímetro de más de 2000 m).Proclo(siglov) informa que los campesinos griegos compartían «equitativamente» campos de acuerdo con sus perímetros, pero con áreas diferentes.[15][16]​ Sin embargo, la producción de un campo es proporcional al área, no al perímetro.

Área de figuras planas[editar]

Fórmulas de polígonos[editar]

Para un polígono (simple) del que se conocen lascoordenadas cartesianas(i = 0, 1,...,n − 1) de susnvértices,el área viene dada por lafórmula del área de Gauss:

cuando i = n − 1, entonces i + 1 se expresa comomódulony por tanto se refiere a 0.

Rectángulos[editar]

El área de este rectángulo es.

La fórmula más básica del área es la fórmula del área de unrectángulo.Dado un rectángulo con largoy anchura,la fórmula del área es:

(rectángulo).

El área del rectángulo es la longitud multiplicada por la anchura. Como caso particular, ya queen el caso de uncuadrado,el área de un cuadrado con longitud de ladoviene dada por la fórmula:

(cuadrado).

La fórmula del área de un rectángulo se deduce directamente de las propiedades básicas del área y a veces se toma comodefiniciónoaxioma.Por otra parte, si lageometríase desarrolla antes que laaritmética,esta fórmula puede utilizarse para definir lamultiplicaciónde losnúmeros reales.

Disección, paralelogramos y triángulos[editar]

La mayoría de las fórmulas sencillas para calcular el área siguen el método de ladisección.Consisten en cortar una forma en trozos cuyas áreas debensumarel área de la forma original.

Un diagrama que muestra cómo un paralelogramo puede convertirse en un rectángulo.

Por ejemplo, cualquierparalelogramopuede subdividirse en untrapecioy untriángulo rectángulo,como se muestra en la figura. Si el triángulo se traslada al otro lado del trapecio, la figura resultante es un rectángulo. Se deduce que el área del paralelogramo es la misma que la del rectángulo:

(paralelogramo).

Un paralelogramo dividido en dos triángulos iguales.

Sin embargo, el mismo paralelogramo también puede cortarse a lo largo de unadiagonalen dos triánguloscongruentes,como se muestra en la figura. Se deduce que el área de cadatriánguloes la mitad del área delparalelogramo:

(triángulo).

Se pueden utilizar argumentos similares para encontrar fórmulas de área para eltrapecioy polígonos más complicados.

Área de las formas curvas[editar]

Círculos[editar]

La fórmula del área de uncírculo(más propiamente llamada área encerrada por un círculo o área de undisco) se basa en un método similar. Dado un círculo de radio,es posible dividirlo ensectores,como se muestra en la figura. Cada sector es aproximadamente triangular, y los sectores pueden reorganizarse para formar un paralelogramo aproximado. La altura de este paralelogramo es,y la anchura es la mitad de lacircunferenciadel círculo o.Por tanto, el área total del círculo es:

Un círculo puede dividirse ensectoresreordenados para formar unparalelogramoaproximado.

(círculo).

Aunque ladisecciónutilizada en esta fórmula es sólo aproximada, el error es cada vez menor a medida que el círculo se divide en más y más sectores. El límite de las áreas de los paralelogramos aproximados es exactamente,que es el área del círculo.

Este argumento es una simple aplicación de las ideas delcálculo.En la antigüedad, elmétodo por agotamientose utilizaba de forma similar para encontrar el área del círculo, y este método se reconoce ahora como un precursor delcálculo integral.Utilizando métodos modernos, el área de un círculo puede calcularse mediante unaintegral definida:

Elipses[editar]

La fórmula del área encerrada por unaelipseestá relacionada con la fórmula de un círculo; para una elipse consemieje mayor y semieje menorela fórmula es:

Arquímedesdemostró que la área superficial de unaesferaes exactamente cuatro veces el área de un disco plano del mismo radio, y el volumen encerrado por la esfera es exactamente 2/3 del volumen de uncilindrode la misma altura y radio.
Área del triángulo

Área superficial[editar]

La mayoría de las fórmulas básicas para elárea superficialse pueden obtener cortando las superficies y aplanándolas. Por ejemplo, si la superficie lateral delcilindro(o de cualquierprisma) se corta longitudinalmente, la superficie puede aplanarse hasta formar un rectángulo. Del mismo modo, si se hace un corte a lo largo de uncono,la superficie lateral se puede aplanar hasta convertirla en un sector de un círculo y calcular el área resultante.

La fórmula de la superficie de unaesferaes más difícil de obtener: como una esfera tiene unacurvatura gaussianadistinta de cero, no puede aplanarse.Arquímedesobtuvo por primera vez la fórmula del área superficial de una esfera en su obraSobre la esfera y el cilindro.La fórmula es:

(esfera).

dondees el radio de la esfera. Al igual que con la fórmula del área de un círculo, cualquier derivación de esta fórmula utiliza intrínsecamente métodos similares alcálculo.

Fórmulas generales[editar]

Áreas de figuras bidimensionales[editar]

  • Untriángulo:(dondees un lado cualquiera, yes la distancia desde la línea en la que se encuentrahasta el otro vértice del triángulo). Esta fórmula puede utilizarse si se conoce la altura.Si se conocen las longitudes de los tres lados, se puede utilizar lafórmula de Herón:donde,,son los lados del triángulo yes elsemiperimetro.Si se da un ángulo y dos lados incluidos, el área esdondees el ángulo dado, yyson sus lados incluidos. Si el triángulo se representa gráficamente en un plano de coordenadas, se puede utilizar una matriz y simplificar el valor absoluto de.Esta fórmula también se conoce como lafórmula de la lazaday es una forma fácil de resolver el área de un triángulo de coordenadas sustituyendo los 3 puntosy.La fórmula de la lazada también se puede utilizar para encontrar las áreas de otros polígonos cuando se conocen sus vértices. Otro enfoque para un triángulo de coordenadas es utilizar el cálculo para encontrar el área.
  • Unpolígono simplese construye sobre una cuadrícula de puntos de igual distancia (es decir, puntos con coordenadasenteras). Todos los vértices del polígono son puntos de la cuadrícula:,dondees el número de puntos de la cuadrícula dentro del polígono yes el número de puntos del límite. Este resultado se conoce comoteorema de Pick.

Área en el cálculo[editar]

La integración puede medir el área bajo una curva, definida por,entre dos puntos (aquíy).
  • El área entre una curva de valor positivo y el eje horizontal, medida entre dos valoresy(se define como el mayor de los dos valores) en el eje horizontal, viene dada por la integral dehastade la función que representa la curva:

dondees la curva con el mayor valor de y.

  • Un área delimitada por una funciónexpresada encoordenadas polareses:

  • El área encerrada por unacurva paramétricacon puntos extremosestá dada por lasintegrales de línea:
    El área entre dos gráficas se puede evaluar calculando la diferencia entre las integrales de las dos funciones.

o el componente z de

(Para más detalles, véase elteorema de Green § Área de una región con el teorema de Green.) Este es el principio del dispositivo mecánico del planímetro.

Área limitada entre dos funciones cuadráticas[editar]

Para encontrar el área acotada entre dosfunciones cuadráticas,restamos una de la otra para escribir la diferencia como:

dondef(x)es el límite superior cuadrático yg(x)es el límite inferior cuadrático. Definir eldiscriminantede f(x)−g(x) como:

Simplificando la fórmula de la integral entre las gráficas de dos funciones (como se indica en el apartado anterior) y utilizando lafórmula de Vieta,podemos obtener:

Lo anterior sigue siendo válido si una de las funciones delimitadoras es lineal en lugar de cuadrática.

Área superficial de las figuras tridimensionales[editar]

  • Cono:[17],dondees el radio de la base circular yes la altura. Esto también se puede reescribir como[17]​ ordondees el radio yes la altura oblicua del cono.es la superficie base mientras quees la superficie lateral del cono.
  • cubo:,dondees la longitud de unaarista.
  • cilindro:,dondees el radio de una base yes la altura.también se puede reescribir como,dondees el diámetro.
  • prisma:,dondees el área de una base,es el perímetro de una base yes la altura del prisma.
  • pirámide:,dondees el área de la base,es el perímetro de la base yes la longitud de la inclinación..
  • prisma rectangular:,dondees la longitud,es la anchura yes la altura.

Relación área-perímetro[editar]

Dada una curva simple cerrada en el plano euclídeo puede probarse que su longitud o perímetro del área encerrada y la propia área encerrada satisfacen la relación:

La igualdad se alcanza sólo para un círculo el resto de figuras y formas posibles cumplen la desigualdad estrictas

Lista de fórmulas[editar]

Otras fórmulas comunes para el área:
Forma Fórmula Variables
Rectángulo
Triángulo rectángulo
Triángulo
Triángulo
Triángulo

(fórmula de Herón)

Triángulo isósceles
Triángulo equilátero
Rombo/deltoide
Paralelogramo
Trapecio
Hexágonoregular
Octágonoregular
Polígono regular

(de lados)





(perímetro)


radio de lacircunferencia inscrita
radio de lacircunferencia circunscrita

Círculo

(diámetro)

Sector circular
Elipse
Integral hochkant=0.2
Área superficial
Esfera
Ortoedro
Cilindro

(incl. parte inferior y superior)

Cono

(incl. la parte inferior)

Toro
Superficie de revolución

(rotación alrededor del eje x)

Los cálculos anteriores muestran cómo encontrar las áreas de muchasformascomunes.

Las áreas de los polígonos irregulares (y, por tanto, arbitrarios) pueden calcularse mediante la «fórmula del área de Gauss» (fórmula de la lazada).

Unidades de medida de superficies[editar]

Metro cuadradode pasto

Lasunidades de superficieson patrones establecidos mediante convención para facilitar el intercambio de datos de mediciones de la superficie, área o extensión de un objeto, terreno o figura geométrica.

La medición es la técnica mediante la cual asignamos un número a unapropiedad física,como resultado de comparar dicha propiedad con otra similar tomada como patrón, la cual se adopta como unidad. La medida de una superficie da lugar a dos cantidades diferentes si se emplean distintas unidades de medida. Así, surgió la necesidad de establecer una unidad de medida única para cada magnitud, de modo que la información fuese fácilmente comprendidas

Sistema Internacional de Unidades[editar]

Según elSistema Internacional de Unidades,las unidades cuadradas son las que se listan a continuación:[18]

Múltiplos
Unidad básica
Submúltiplos

En la escala atómica, el área se mide en unidades debarn.[19]​ Se usa comúnmente para describir el área transversal de interacción enfísica nuclear.[19]

Sistema anglosajón de unidades[editar]

Las unidades más usadas delsistema anglosajónson:[20]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Arturo, Rincón Villalba Mario; Ernesto, Vargas Vargas Wilson; Javier, González Vergara Carlos (2018).Topografía: Conceptos y aplicaciones.Ecoe Ediciones.ISBN9789587715071.Consultado el 1 de marzo de 2018.
  2. Didáctica de las Matemáticas- Una Experiencia Pedagógica.ELIZCOM S.A.S.ISBN9789584479389.Consultado el 1 de marzo de 2018.
  3. Domínguez, Luis Fernando Díaz (4 de marzo de 2016).Manual. Competencia clave. Matemáticas Nivel III (FCOV12). Formación complementaria.EDITORIAL CEP.ISBN9788468183855.Consultado el 1 de marzo de 2018.
  4. HeródotoHistorias,Libro II.
  5. ab'El problema del área.fca.unl.edu.ar
  6. Heath, Thomas L.(2003),A Manual of Greek Mathematics,Courier Dover Publications, pp. 121-132,ISBN978-0-486-43231-1,archivado desdeel originalel 1 de mayo de 2016.
  7. Stewart, James (2003).Single variable calculus early transcendentals.(5th. edición). Toronto ON: Brook/Cole. p.3.ISBN978-0-534-39330-4.«However, by indirect reasoning, Eudoxus (fifth century B.C.) used exhaustion to prove the familiar formula for the area of a circle:».
  8. abArndt, Jörg; Haene l, Christoph (2006).Pi Unleashed.Springer-Verlag.ISBN978-3-540-66572-4.Consultado el 5 de junio de 2013.English translation by Catriona and David Lischka.
  9. Eves, Howard (1990),An Introduction to the History of Mathematics(6th edición), Saunders, p. 121,ISBN978-0-03-029558-4.
  10. Heath, Thomas L. (1921).A History of Greek Mathematics (Vol II).Oxford University Press. pp. 321-323.
  11. Weisstein, Eric W.«Heron's Formula».En Weisstein, Eric W, ed.MathWorld(en inglés).Wolfram Research.
  12. Apostol, Tom (1967).Calculus.I: One-Variable Calculus, with an Introduction to Linear Algebra. pp. 58-59.ISBN9780471000051.
  13. Moise, Edwin (1963).Elementary Geometry from an Advanced Standpoint.Addison-Wesley Pub. Co.Consultado el 15 de julio de 2012.(requiere registro).
  14. Dominique Barataud.«Aire et périmètre».http://eduscol.education.fr/.dossier d’activités pédagogiques réalisé par le groupe national de réflexion sur l’enseignement des mathématiquesen dispositifs relais..
  15. Thomas Heath (2013). Dover, ed.A History of Greek Mathematics(en inglés)2.p. 206.ISBN978-0-48616265-2..
  16. Bernard Teissier.«Volumes des corps convexes, géométrie et algèbre».Institut de mathématiques de Jussieu.Teissier 1999.Archivado desdeel originalel 16 de enero de 2009.Consultado el 9 de julio de 2021.(leçon donnée le jeudi 7 octobre 1999, rédigée par C. Reydy).
  17. abWeisstein, Eric W..«Cone».Wolfram MathWorld.Archivado desdeel originalel 21 de junio de 2012.Consultado el 6 de julio de 2012.
  18. CAÑERO, JUAN LÓPEZ (1 de enero de 2016).Redes de evacuación.Ediciones Paraninfo, S.A.ISBN978-84-283-3772-4.Consultado el 28 de noviembre de 2019.
  19. abBureau international des poids et mesures (2006).The International System of Units (SI).8th ed. Archivado desdeel originalel 5 de noviembre de 2013.Consultado el 13 de febrero de 2008.Chapter 5.
  20. Arturo, Rincón Villalba Mario; Ernesto, Vargas Vargas Wilson; Javier, González Vergara Carlos (2017).Topografía: Conceptos y aplicaciones.Ecoe Ediciones.ISBN978-958-771-507-1.Consultado el 28 de noviembre de 2019.
  21. National Institute of Standards and Technology(n.d.) General Tables of Units of Measurement.Archivadoel 24 de noviembre de 2011 enWayback Machine..

Bibliografía[editar]

  • Spiegel, Murray R.; Abellanas, Lorenzo (1992). McGraw-Hill, ed.Fórmulas y tablas de matemática aplicada.Aravaca (Madrid).ISBN 84-7615-197-7.

Enlaces externos[editar]