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20.4: Área de fuga y subdivisiones

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    Proposición\(\PageIndex{1}\)

    Cualquier conjunto de un punto así como cualquier segmento en el plano euclidiano tienen área de fuga.

    Prueba

    Fijar un segmento de línea\([AB]\). Considera un cuadrado vendido\(\blacksquare ABCD\).

    Tenga en cuenta que dado un entero positivo\(n\), hay segmentos\(n\) disjuntos\([A_1B_1],\dots,[A_nB_n]\) en\(\blacksquare ABCD\), de tal manera que cada uno\([A_iB_i]\) es congruente\([AB]\) en el sentido de la Definición 20.1.1.

    2021-03-02 5.02.12.png

    Aplicando invarianza, aditividad y monotonicidad de la función de área, obtenemos que

    \(\begin{aligned} n\cdot \text{area }[AB] &=\text{area }\left([A_1B_1]\cup\dots\cup[A_nB_n]\right)\le \\ &\le \text{area }(\blacksquare ABCD) \end{aligned}\)

    Es decir,

    \(\text{area }[AB]\le \tfrac1n\cdot\text{area }(\blacksquare ABCD)\)

    para cualquier entero positivo\(n\). Por lo tanto,\(\text{area }[AB]\le 0\). Por otra parte, por definición de área\(\text{area }[AB]\ge 0\), de ahí

    \(\text{area }[AB]= 0.\)

    Para cualquier conjunto de un punto\(\{A\}\) tenemos eso\(\{A\}\subset [AB]\). Por lo tanto,

    \(0\le \text{area }\{A\}\le \text{area }[AB]=0.\)

    De dónde\(\text{area }\{A\}=0\).

    Corolario\(\PageIndex{1}\)

    Cualquier conjunto poligonal degenerado tiene área de fuga.

    Prueba

    \(\mathcal P\)Sea un conjunto degenerado, digamos

    Dado que el área es no negativa por definición, aplicando aditividad varias veces, obtenemos que

    \(\begin{aligned} \text{area }\mathcal{P}\le & \text{area }[A_1B_1]+\dots+\text{area }[A_nB_n]+ \\ &+\text{area }\{C_1\}+\dots+\text{area }\{C_k\}.\end{aligned}\)

    Por Proposición\(\PageIndex{1}\), el lado derecho se desvanece.

    Por otro lado\(\text{area }\mathcal{P}\ge 0\), de ahí el resultado.

    Decimos que conjunto poligonal\(\mathcal{P}\) se subdivide en dos conjuntos poligonales\(\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n\) si\(\mathcal{P}=\mathcal{Q}_1\cup\dots\cup \mathcal{Q}_n\) y la intersección\(\mathcal{Q}_i\cap\mathcal{Q}_j\) es degenerada para cualquier par\(i\) y\(j\). (Recordemos que según la reivindicación 20.3.1, las intersecciones\(\mathcal{Q}_i\cap\mathcal{Q}_j\) son poligonales.)

    Proposición\(\PageIndex{2}\)

    Supongamos que los conjuntos poligonales\(\mathcal{P}\) se subdividen en conjuntos poligonales\(\mathcal{Q}_1, \dots, \mathcal{Q}_n\). Entonces

    \(\text{area }\mathcal{P}=\text{area }\mathcal{Q}_1+\dots+\text{area }\mathcal{Q}_n.\)

    Prueba

    2021-03-03 8.43.19.png

    Asumir\(n=2\); por aditividad de área,

    \(\text{area }\mathcal{P}=\text{area }\mathcal{Q}_1+\text{area }\mathcal{Q}_2-\text{area }(\mathcal{Q}_1 \cap\mathcal{Q}_2).\)

    Dado que\(\mathcal{Q}_1\cap\mathcal{Q}_2\) es degenerado, por Corolario\(\PageIndex{1}\),

    \(\text{area }(\mathcal{Q}_1\cap\mathcal{Q}_2)=0.\)

    Aplicando esta fórmula algunas veces obtenemos el caso general. En efecto, si\(\mathcal{P}\) se subdivide en\(\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n\), entonces

    \(\begin{aligned} \text{area }\mathcal{P}&=\text{area }\mathcal{Q}_1+\text{area }(\mathcal{Q}_2\cup\dots\cup\mathcal{Q}_n)= \\ &=\text{area }\mathcal{Q}_1+\text{area } \mathcal{Q}_2+\text{area }( \mathcal{Q}_3\cup\dots\cup\mathcal{Q}_n)= \\ &\ \ \ \vdots \\ &=\text{area }\mathcal{Q}_1+\text{area } \mathcal{Q}_2+\dots+\text{area }\mathcal{Q}_n.\end{aligned}\)

    Observación

    Dos conjuntos poligonales\(\mathcal{P}\) y se\(\mathcal{P}'\) denominan equidescomponibles si admiten subdivisiones en conjuntos poligonales\(\mathcal{Q}_1,\dots,\mathcal{Q}_n\) y\(\mathcal{Q}'_1,\dots,\mathcal{Q}'_n\) tal que\(\mathcal{Q}_i\cong\mathcal{Q}'_i\) para cada uno\(i\).

    Según la proposición, si\(\mathcal{P}\) y\(\mathcal{P}\) son equidescomponibles, entonces\(\text{area } \mathcal{P}=\text{area }\mathcal{P}'\). También se mantiene lo contrario a esta afirmación; es decir, si dos conjuntos poligonales no degenerados tienen igual área, entonces son equidescomponibles.

    El último comunicado fue probado por William Wallace, Farkas Bolyai y Paul Gerwien. La afirmación análoga en tres dimensiones, conocida como el tercer problema de Hilbert, es falsa; fue probada por Max Dehn.


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