弧微分

这里简要给出过程,虽然不是特别严谨,但理解起来容易就好。

对于上图可以得出:

ΔsΔx=ABΔx=AB2AB2AB2(Δx)2=AB2AB2(Δx)2+(Δy)2(Δx)2=AB2AB2[1+(ΔyΔx)2]\begin{aligned} \frac{\Delta s}{\Delta x} &= \frac{|\overgroup{AB}|}{\Delta x}\\ &=\sqrt{\frac{|\overgroup{AB}|^2}{|AB|^2}\cdot\frac{|AB|^2}{(\Delta x)^2}}\\ &=\sqrt{\frac{|\overgroup{AB}|^2}{|AB|^2}\cdot\frac{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}{(\Delta x)^2}}\\ &=\sqrt{\frac{|\overgroup{AB}|^2}{|AB|^2}\cdot[1+(\frac{\Delta y}{\Delta x})^2]}\\ \end{aligned}

Δx0\Delta x \to 0 此时 AB|\overgroup{AB}|AB|AB| 之比应当为 1,那么简单整理后可得到弧微分公式

ds=1+y2dx\mathrm{d}s=\sqrt{1+y'^2}\mathrm{d}x

圆锥

先来一个最简单的试试手。

体积

将其分割为无限多个圆柱,分别求出体积,然后用定积分可以求得公式:

dV=πy2dx=πR2h2x2dxV=0hπR2h2x2dx=πR2h213x30h=13πR2h\begin{aligned} \mathrm{d}V&=\pi y^2\mathrm{d}x\\ &=\pi\frac{R^2}{h^2}x^2\mathrm{d}x \\ V&=\int_0^h\pi\frac{R^2}{h^2}x^2\mathrm{d}x\\ &=\pi\frac{R^2}{h^2}\cdot\frac{1}{3}x^3\bigg|_0^h\\ &=\frac{1}{3}\pi R^2h \end{aligned}

侧面积

对于侧面积,这里注意要使用 ds\mathrm{d}s 作为圆柱的高,而不能使用 dx\mathrm{d}x,如果用 dx\mathrm{d}x 最后积出的结果是一个圆柱而不是圆锥:

dS=2πyds=2πRh1+(Rh)2xdx=2πRh2lxdxS=0h2πRh2lxdx=2πRh2l12x20h=πRl\begin{aligned} \mathrm{d}S&=2\pi y\mathrm{d}s\\ &=2\pi \frac{R}{h} \sqrt{1+(\frac{R}{h})^2}x\mathrm{d}x\\ &=2\pi \frac{R}{h^2}lxdx\\ S&=\int_0^h2\pi \frac{R}{h^2}lxdx\\ &=2\pi\frac{R}{h^2}l\cdot \frac{1}{2}x^2\bigg|_0^h\\ &=\pi Rl \end{aligned}

圆台

和圆锥的推导过程类似。

体积

dV=πy2dx=π[(Rr)2h2x2+2(Rr)rhx+r2]dx=π(R22Rr+r2h2x2+2Rr2r2hx+r2)dxV=0hπ(R22Rr+r2h2x2+2Rr2r2hx+r2)dx=π(R22Rr+r23h2x3+Rrr2hx2+r2x)0h=πh(R22Rr+r23+Rrr2+r2)=13πh(R2+Rr+r2)\begin{aligned} \mathrm{d}V&=\pi y^2\mathrm{d}x\\ &=\pi[\frac{(R-r)^2}{h^2}x^2+\frac{2(R-r)r}{h}x+r^2]\mathrm{d}x \\ &=\pi(\frac{R^2-2Rr+r^2}{h^2}x^2+\frac{2Rr-2r^2}{h}x+r^2)dx\\ V&=\int_0^h\pi(\frac{R^2-2Rr+r^2}{h^2}x^2+\frac{2Rr-2r^2}{h}x+r^2)dx\\ &=\pi(\frac{R^2-2Rr+r^2}{3h^2}x^3+\frac{Rr-r^2}{h}x^2+r^2x)\bigg|_0^h\\ &=\pi h(\frac{R^2-2Rr+r^2}{3}+Rr-r^2+r^2)\\ &=\frac{1}{3}\pi h(R^2+Rr+r^2) \end{aligned}

侧面积

同样地,要使用弧微分:

dS=2πyds=2π(Rrhx+r)1+(Rrh)2dx=2πlh(Rrhx+r)dxS=0h2πlh(Rrhx+r)dx=2πlh(Rr2hx2+rx)0h=πl(R+r)\begin{aligned} \mathrm{d}S&=2\pi y\rm{d}s\\ &=2\pi(\frac{R-r}{h}x+r)\sqrt{1+(\frac{R-r}{h})^2}dx\\ &=2\pi\frac{l}{h}(\frac{R-r}{h}x+r)dx\\ S&=\int_0^h2\pi\frac{l}{h}(\frac{R-r}{h}x+r)dx\\ &=2\pi\frac{l}{h}(\frac{R-r}{2h}x^2+rx)\bigg|_0^h\\ &=\pi l(R+r) \end{aligned}

这里给出两种方法,可以用参数方程最终对 θ\theta 积分,也可以对 xx 积分,权当练习。

写出圆的参数方程:

{x=Rcosθy=Rsinθ\left\{\begin{array}{lr} x=R\cos\theta\\ y=R\sin\theta \end{array} \right.

由于 x[R,R]x \in [-R, R]θ[0,π]\theta \in [0, \pi] 且由参数方程求导法则有:

y=dydx=dydθdxdθ=1tanθy'=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}\theta}}{\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}\theta}}=-\frac{1}{\tan\theta}

体积

可以不用参数方程,直接求:

dV=πy2dx=π(R2x2)dxV=RRπ(R2x2)dx=π(R2x13x3)RR=43πR3\begin{aligned} \mathrm{d}V&=\pi y^2\mathrm{d}x\\ &=\pi(R^2-x^2)\mathrm{d}x\\ V&=\int_{-R}^R\pi(R^2-x^2)\mathrm{d}x\\ &=\pi(R^2x-\frac{1}{3}x^3)\bigg|_{-R}^R\\ &=\frac{4}{3}\pi R^3 \end{aligned}

也可以用参数方程求,这里用到了换元积分法,而且对 θ\theta 积分时应当是从 π\pi00,对应 xxR-RRR

dV=πy2dx=πR3sin3θdθV=π0(πR3sin3θ)dθ=πR30πsin3θdθ=πR30πsinθ(1cos2θ)dθ=πR30π(cos2θ1)d(cosθ)=πR3(13cos3θcosθ)0π=43πR3\begin{aligned} \mathrm{d}V&=\pi y^2\mathrm{d}x\\ &=-\pi R^3\sin^3\theta\mathrm{d}\theta\\ V&=\int_\pi^0(-\pi R^3\sin^3\theta)\mathrm{d}\theta\\ &=\pi R^3\int_0^\pi\sin^3\theta\mathrm{d}\theta\\ &=\pi R^3\int_0^\pi \sin\theta(1-\cos^2\theta)\mathrm{d}\theta\\ &=\pi R^3\int_0^\pi(\cos^2\theta-1)\mathrm{d}(\cos \theta)\\ &=\pi R^3(\frac{1}{3}\cos^3\theta-\cos\theta)\bigg|_0^\pi\\ &=\frac{4}{3}\pi R^3 \end{aligned}

表面积

虽然第一个方法不对 θ\theta 积分,但还是借用了一下参数方程列关系式:

dS=2πyds=2πRsinθ1+1tan2θdx=2πRdxS=RR2πRdx=4πR2\begin{aligned} \mathrm{d}S&=2\pi y\mathrm{d}s\\ &=2\pi R\sin\theta\sqrt{1+\frac{1}{\tan^2\theta}}\mathrm{d}x\\ &=2\pi R\mathrm{d}x\\ S&=\int_{-R}^R2\pi R\mathrm{d}x\\ &=4\pi R^2 \end{aligned}

参数方程,也是从 π\pi00 积:

dS=2πyds=2πRsinθ1+1tan2θdx=2πR2sinθdθS=π0(2πR2sinθ)dθ=2πR20πsinθdθ=2πR2cosθ0π=4πR2\begin{aligned} \mathrm{d}S&=2\pi y\mathrm{d}s\\ &=2\pi R\sin\theta\sqrt{1+\frac{1}{\tan^2\theta}}\mathrm{d}x\\ &=-2\pi R^2\sin\theta\mathrm{d}\theta\\ S&=\int_{\pi}^{0}(-2\pi R^2\sin\theta)\mathrm{d}\theta\\ &=2\pi R^2\int_{0}^{\pi}\sin\theta\mathrm{d}\theta\\ &=-2\pi R^2\cos\theta\bigg|_0^{\pi}\\ &=4\pi R^2 \end{aligned}