Sektorformel von Leibniz

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Kurve mit Fahrstrahl
geschlossene Kurve mit Fahrstrahl

Die Sektorformel von Leibniz, benannt nach Gottfried Wilhelm Leibniz, berechnet den orientierten Flächeninhalt, den ein Fahrstrahl eines Kurvenabschnitts überstreicht, insbesondere kann man mit ihr Flächeninhalte von Gebieten, die durch eine geschlossene Kurve beschrieben werden, berechnen.

Sei mit eine glatte Kurve, dann überstreicht ihr mit dem Ursprung gebildeter Fahrstrahl den orientierten Flächeninhalt der folgenden Größe:

Stückweise glatte Kurven[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist eine stückweise glatte Kurve auf und eine Partition von , so dass auf den Teilintervallen für glatt ist, so gilt:

Hierbei bezeichnet die auf das Intervall beschränkte Kurve.

Zusammenhang mit Dreiecken[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Man kann die Sektorformel als eine Verallgemeinerung der Determinantenformel zur Berechnung des Flächeninhaltes von Dreiecken auffassen. Sind , , die Eckpunkte eines beliebigen Dreiecks, dann wird dieses durch die folgende stückweise glatte Kurve beschrieben:

Dann gilt nun für die Flächenberechnung des Dreiecks:

Zusammenhang mit den Integralsätzen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für den Fall einer geschlossenen Kurve ergibt sich die Sektorformel von Leibniz auch als Spezialfall des Integralsatzes von Green. Der Integralsatz liefert für die von einer Kurve mit eingeschlossene Fläche und zwei differenzierbare Funktionen die folgende Gleichung:

Wählt man für die dortigen Funktionen und , so gilt und und man erhält:

Da die Integration über eine Fläche mit 1 den Flächeninhalt selbst liefert, gilt:

.

Alternative Formel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Alternative Formel

In der Literatur wird gelegentlich auch eine weitere Formel als Sektorformel von Leibniz bezeichnet. Diese ist wesentlich spezieller und verwendet statt Koordinatenfunktionen und der Parameterkurve eine Funktion , die den Abstand eines Kurvenpunktes vom Zentrum einer sternförmigen Menge beschreibt. Mit dieser gilt dann:

Da diese Formel im Gegensatz zur vorherigen keinen orientierten Flächeninhalt verwendet, ist sie nur für sternförmige Mengen gültig. Ist ein Zentrum der sternförmigen Menge, so lässt sich r(t) mittels der Beziehung aus den Koordinatenfunktionen der Parameterkurve berechnen.

Beispiel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Herzkurve besitzt die folgende Parameterdarstellung:

Mit der Sektorformel ergibt sich dann der folgende Flächeninhalt:

Herzkurve

Bei der Verwendung der alternativen Formel kann man als Zentrum wählen und erhält dann:

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Konrad Köngisberger: Analysis 1. 2-te Auflage, Springer 1992, ISBN 3-540-55116-6, S. 343
  • Wolfgang Walter: Analysis I. 2-te Auflage, Springer 1985, ISBN 3-540-51708-1, S. 285–286
  • Harro Heuser: Lehrbuch der Analysis - Teil 2. 5-te Auflage, Teubner 1990, ISBN 3-519-42222-0, S. 498

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]