Площадь поверхности

Задача

Найти площадь поверхности, которая является трёхмерным графиком функции [latex]f\left( x, y\right)[/latex], в пределах от [latex]a[/latex] до [latex]b[/latex] по оси [latex]x[/latex] и от [latex]c[/latex] до [latex]d[/latex] по оси [latex]y[/latex] c величиной шага [latex]h[/latex].

Входные данные:

Четыре целых числа: [latex]a[/latex], [latex]b[/latex], [latex]c[/latex], [latex]d[/latex].
Вещественное число: [latex]h[/latex].

Выходные данные:

Площадь поверхности [latex]S[/latex].

Тесты

 № [latex]f\left( x, y\right)[/latex] Входные данные Выходные данные
 [latex]a[/latex]  [latex]b[/latex]  [latex]c[/latex]  [latex]d[/latex]  [latex]h[/latex]  [latex]S[/latex]
 1  [latex]x+y[/latex]  -10  10  -10  10  0.001  692.82
 2  [latex]\left| x \right| +\left| y \right|[/latex]  -2  2  -2  2  0.005  27.7128
 3  [latex]1[/latex]  0  100  0  100  0.1  10000
 4  [latex]{x}^{2}+{y}^{2}[/latex]  -1  1  -1  1  0.0005  7.44626

Код программы

Решение

Представим поверхность в виде множества геометрических фигур. Тогда её площадь будет суммой площадей этих фигур. В качестве фигур, покрывающих данную поверхность, возьмём треугольники, поскольку через любые [latex]3[/latex] точки в пространстве можно провести плоскость и только одну (а значит и треугольник). Координатную плоскость [latex]xy[/latex] условно поделим на квадраты, где сторона квадрата будет равняться заданному шагу [latex]h[/latex]. Будем рассматривать только квадраты, что лежат в заданных пределах.  Условно проведём одну из диагоналей у каждого квадрата — получим треугольники на плоскости. Поочередно будем искать координату [latex]z[/latex] вершин каждой пары треугольников, подставляя уже известные координаты [latex]x[/latex] и [latex]y[/latex] в указанную формулу. Зная координаты треугольников в пространстве, найдём площадь каждого, сумма данных площадей и будет площадью поверхности. Чтоб найти площадь треугольника, зная координаты его вершин, найдем векторное произведение его координат. Возьмем треугольник с координатами вершин  [latex]\left( x_i,y_i,z_{ii} \right) [/latex], [latex]\left( x_i, y_j, z_{ij} \right) [/latex] и [latex]\left( x_j, y_i, z_{ji} \right) [/latex], возьмём произвольные два вектора, которые образуют данный треугольник — [latex]\overrightarrow { a } =\left ( x_i-x_i, y_j-y_i, z_{ij}-z_{ii} \right)[/latex], [latex]\overrightarrow { b } =\left ( x_j-x_i, y_i-y_i, z_{ji}-z_{ii} \right)[/latex].
[latex]\overrightarrow { a } =\left ( 0, y_j-y_i, z_{ij}-z_{ii} \right)[/latex], [latex]\overrightarrow { b } =\left ( x_j-x_i, 0, z_{ji}-z_{ii} \right)[/latex].
Тогда векторное произведение [latex]\left [ \overrightarrow { a }, \overrightarrow { b } \right] =\left ( (y_i-y_j)( z_{ji}-z_{ii}), (z_{ii}-z_{ij})(z_{ji}-z_{ii} ), ( y_j-y_i)(x_j-x_i) \right)[/latex].
Поскольку длина вектора равного векторному произведения двух векторов в пространстве равна площади параллелограмма, образованного исходными векторами — найдём его длину и разделим пополам, чтоб получить площадь треугольника, образованного исходными векторами. Значит площадь каждого треугольника можно вычислить по формуле:
[latex]s =\frac { 1 }{ 2 } \sqrt{({(y_i-y_j)}^{2}{( z_{ji}-z_{ii})}^{2}+{(z_{ii}-z_{ij})}^{2}{(z_{ji}-z_{ii} )}^{2}+{( y_j-y_i)}^{2}{(x_j-x_i)}^{2})}[/latex] Тогда площадь поверхности в пределах заданных точек можно вычислить, сложив площади этих треугольников.

Модификация

Модифицируем данную программу для нахождения приблизительной площади поверхности, заданной функцией с корнем чётной степени.

Тесты

 № [latex]f\left( x, y\right)[/latex] [latex]z_0[/latex]  Входные данные  Выходные данные
 [latex]a[/latex]  [latex]b[/latex]  [latex]c[/latex] [latex]d[/latex]  [latex]h[/latex]  [latex]S[/latex]
 1 [latex]\sqrt { 1-{ x }^{ 2 }-{ y }^{ 2 } }[/latex] [latex]1[/latex]  -1  1  -1  1  0.00011  6.28734
 2 [latex]\sqrt { 1-{ x }^{ 2 }-{ y }^{ 2 } }[/latex] [latex]7y[/latex]  -1  1  -1  1  0.00011  23.0803
 3 [latex]\sqrt { 1-{ x }^{ 2 }-\frac{ { y }^{ 2 }}{ 2 } }[/latex] [latex]0[/latex]  -1  1  -2  2  0.00015  8.08214
 4 [latex]\sqrt { 2-{ x }^{ 2 }-{ y }^{ 2 } }[/latex] [latex]-1[/latex]  -2  2  -2  2  0.0005  12.5835

Код программы

Условно отделим от функцию [latex]f\left( x, y\right)[/latex] слагаемые, что не под корнем, если такие имеются. Тогда [latex]z_0[/latex] равно части функции, что не под корнем. Для того, чтоб рассматривать площади треугольников, вершины которых выходят за область определения функции, доопределим их в [latex]z_0[/latex] по оси [latex]z[/latex]. Затем вычислим площадь треугольников, у которых как минимум одна вершина не лежит на [latex]z=z_0[/latex] .

Ссылки