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微積分如何固定體積求最大表面積
微積分如何固定體積求最大表面積
更新时间:2024-10-03 19:12:10

在幾何學中,規則圖形的面積和體積非常容易計算,我們在初高中都已經掌握了這些基本的計算公式,如下圖像所示

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)1

當涉及到曲面時,一般公式的計算方法就會統統失效,這時就需要微積分的知識來完成,如下是一個不規則的曲面,要計算它的體積,一般公式是無法計算的

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)2

這裡我們不是将其分割成無限多的矩形,而是将其分割成無限多的薄片,每個薄片都是一個二維區域,這給我們的計算提供了可能

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)3

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)4

從最簡單的球體出發,在水平方向上,我們可以将這個圓切成無限多的薄片,每個圓薄片的半徑都對應一個y值

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)5

即A=πy^2

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)6

因為圓的面積是πr^2,但球體的的半徑是不變的,所以我們可以根據勾股定理作一個直角三角形,得到y=r^2-x^2 如下圖所示

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)7

這樣就與x建立了聯系,且區間是(-r, r),因為球體關于y軸對稱,所以根據微積分原理我們就得到如下結論

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)8

這樣最終就得到了球的體積

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)9

所以無限的二維平面的疊加,就是三維物體的體積,但需要微積分作為橋梁

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)10

我們繼續延伸,如下是一個X^1/2圖形繞x軸旋轉産生的不規則物體,如何來計算它的體積呢?

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)11

同樣采用疊加所有橫截面來進行計算

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)12

但這裡的半徑r是X^1/2,所以有關橫截面積就是πX

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)13

這樣我們就得到了(0,1)區間上該物體的體積,如下圖所示

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)14

這些偉大的發現都是基于牛頓和萊布尼茲的發現

微積分如何固定體積求最大表面積(用微積分來計算不規則圖形的體積)15

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