微积分基础之图形面积(体积)计算

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微积分基础之图形面积(体积)计算

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微积分基础之图形面积(体积)计算 一、平面图形面积1、简单图形的面积(1)长方形(2)三角形(3)平行四边形(4)梯形2、稍微复杂一点的图形面积(1)圆法1:法2: 椭圆 立体图形表面积和体积祖暅定理三分之一之谜球的体积球的表面积 终极问题——甜甜圈的体积

一、平面图形面积

积 分 的 要 领 1 : 以 长 方 形 为 基 础 来 思 考 \boxed{积分的要领1:以长方形为基础来思考} 积分的要领1:以长方形为基础来思考​

1、简单图形的面积 (1)长方形

长 × \times ×宽,不会的请离开

(2)三角形

底 × \times ×高/2,不会的请离开

(3)平行四边形

底 × \times ×高,不会的请离开

(4)梯形

( ( (上底 + + +下底 ) × )\times )×高/2,不会的请离开

2、稍微复杂一点的图形面积

积 分 的 要 领 2 : 把 图 形 看 作 小 长 方 形 的 组 合 \boxed{积分的要领2:把图形看作小长方形的组合} 积分的要领2:把图形看作小长方形的组合​

(1)圆 法1:

用圆规在方格纸上画一个圆,接着数一数圆中的方格数 我在边长为 1 m m 1mm 1mm的方格纸上画了一个半径为 2 c m 2cm 2cm的圆,我算(shǔ)出圆中共有 1189 1189 1189个格子,所以我们算出的圆周率是 2.9725 2.9725 2.9725 虽然这个误差很大,但是,随着格子边长的缩小,我们的准确度就越高

法2:

有什么办法可以提高精度吗?有,如图,我们把圆分成细长的小条来求由于我太懒了,所以只画了3条 每一个小条的宽度是 Δ x \Delta x Δx,表示非常小的数值 这样,我们可以得出圆的面积 = ∫ 左 端 右 端 短 条 在 x 值 对 应 的 长 度 d x =\int_{左端}^{右端}短条在x值对应的长度dx =∫左端右端​短条在x值对应的长度dx d x dx dx可以理解为 lim ⁡ Δ x → 0 Δ x \lim \limits_{\Delta x \rightarrow 0}\Delta x Δx→0lim​Δx 我做了一个实验,计算半径为 1 c m 1cm 1cm的圆,把它分成 N N N个小条,制成一张表格

N N N所有小条的总面积 10 10 10 2.637049 2.637049 2.637049 20 20 20 2.904518 2.904518 2.904518 40 40 40 3.028465 3.028465 3.028465 200 200 200 3.120417 3.120417 3.120417 2000 2000 2000 3.139555 3.139555 3.139555 20000 20000 20000 3.141391 3.141391 3.141391

可见 N N N越来越大时,小条的总面积就会越接近圆的面积 π r 2 \pi r^{2} πr2

椭圆

椭圆是由圆拉伸来的,所以我们也可以把它分成细长的短条来求,这个小条的面积就是圆的小条面积的 a b \frac{a}{b} ba​倍,所以,椭圆的面积就是 π a b \pi ab πab 积 分 的 要 领 3 : 把 图 形 分 解 成 长 方 形 然 后 进 行 伸 缩 变 换 \boxed{积分的要领3:把图形分解成长方形然后进行伸缩变换} 积分的要领3:把图形分解成长方形然后进行伸缩变换​ 在这里插入图片描述

立体图形表面积和体积 祖暅定理

积 分 的 要 领 4 : 把 图 形 看 作 被 切 割 后 的 组 合 \boxed{积分的要领4:把图形看作被切割后的组合} 积分的要领4:把图形看作被切割后的组合​ 在外国称作卡瓦列利原理 截面面积总是相等的两个立体图形,体积也相等

三分之一之谜

积 分 的 要 领 5 : 灵 活 应 用 祖 暅 定 理 \boxed{积分的要领5:灵活应用祖暅定理} 积分的要领5:灵活应用祖暅定理​ 大家都知道圆锥的体积公式吧?体积 = = =底面积 × \times ×高 × 1 3 \times\frac{1}{3} ×31​ 话说这个 1 3 \frac{1}{3} 31​是哪来的? 首先,我们从四棱锥说起 我们先把C点平移到A的正上方,使得 A C ⊥ AC\perp AC⊥平面 A B D ABD ABD(祖暅定理) 在这里插入图片描述                       ⇓ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \Downarrow                      ⇓ 在这里插入图片描述 这时,我们发现3个这样的椎体可以拼成一个长方形,因此,我们可以得到这个四棱锥的体积就是 1 3 × \frac{1}{3}\times 31​×底面积 × \times ×高 得到了四棱锥的体积之后,我们就可以计算任意椎体的体积了 我们把椎体的底面分成许多很小的长方形,所以每一个小四棱锥的体积相加就是椎体的体积了,也就等于 1 3 × \frac{1}{3}\times 31​×底面积 × \times ×高

球的体积

我们先做出一个立体图形,我把它称为钵体,它是一个圆柱再去掉一个圆锥后的图形 在这里插入图片描述 我们可以发现,它的每一个截面的面积和一个半球上的截面的面积相同,所以,根据祖暅定理,我们可以知道,球的体积 = 2 × 2 3 π R 3 = × 4 3 π R 3 =2\times\frac{2}{3}\pi R^3=\times\frac{4}{3}\pi R^3 =2×32​πR3=×34​πR3 积 分 的 要 领 6 : 寻 找 “ 有 效 的 对 应 、 关 系 条 件 ” \boxed{积分的要领6:寻找“有效的对应、关系条件”} 积分的要领6:寻找“有效的对应、关系条件”​

球的表面积

积 分 的 要 领 7 : 相 比 “ 纠 结 于 细 节 ” , “ 如 何 思 考 才 能 顺 利 计 算 ” 更 优 先 \boxed{积分的要领7:相比“纠结于细节”,“如何思考才能顺利计算”更优先} 积分的要领7:相比“纠结于细节”,“如何思考才能顺利计算”更优先​ 我们把球的表面分成许多小的四棱锥,所以,我们可以得到球的体积 = 1 3 × R × =\frac{1}{3}\times R\times =31​×R×球的表面积 所以,我们可以得到球的表面积 = 4 π R 2 =4\pi R^2 =4πR2

终极问题——甜甜圈的体积

大家都知道甜甜圈吧? 在这里插入图片描述 我用软件画了一个甜甜圈,我们假设甜甜圈边上的圆心到中心的距离为 4 c m 4cm 4cm,半径为 2 c m 2cm 2cm,我们尝试水平切割,我们就可以得到一个个圆环 这些圆环的外圈的半径 = 4 + 4 − x 2 =4+\sqrt{4-x^2} =4+4−x2 ​,内圈的半径 = 4 − 4 − x 2 =4-\sqrt{4-x^2} =4−4−x2 ​,所以这个截面的面积 = 16 π 4 − x 2 =16\pi\sqrt{4-x^2} =16π4−x2 ​( x x x代表到圆心的距离) 由此,我们就可以表示出整个甜甜圈的体积就是 ∫ − 2 2 16 π 4 − x 2 d x \int_{-2}^{2}16\pi\sqrt{4-x^2}dx ∫−22​16π4−x2 ​dx这个积分是在不需要我们计算,我们只要画一个图就行了 在这里插入图片描述 积分相当于计算这个图形的面积,所以也就是 ∫ − 2 2 16 π 4 − x 2 d x = 16 π × 2 π = 32 π 2 \int_{-2}^{2}16\pi\sqrt{4-x^2}dx=16\pi\times2\pi=32\pi^{2} ∫−22​16π4−x2 ​dx=16π×2π=32π2

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参考材料: 《简单微积分》神永正博 著



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