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:
ΔxΔs=Δx∣AB∣=∣AB∣2∣AB∣2⋅(Δx)2∣AB∣2=∣AB∣2∣AB∣2⋅(Δx)2(Δx)2+(Δy)2=∣AB∣2∣AB∣2⋅[1+(ΔxΔy)2]
令 Δx→0 此时 ∣AB∣ 与 ∣AB∣ 之比应当为 1,那么简单整理后可得到弧微分公式:
ds=1+y′2dx
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:
dVV=πy2dx=πh2R2x2dx=∫0hπh2R2x2dx=πh2R2⋅31x30h=31πR2h
侧面积
对于侧面积,这里注意要使用 ds 作为圆柱的高,而不能使用 dx,如果用 dx 最后积出的结果是一个圆柱而不是圆锥:
dSS=2πyds=2πhR1+(hR)2xdx=2πh2Rlxdx=∫0h2πh2Rlxdx=2πh2Rl⋅21x20h=πRl
圆台
和圆锥的推导过程类似。
体积
dVV=πy2dx=π[h2(R−r)2x2+h2(R−r)rx+r2]dx=π(h2R2−2Rr+r2x2+h2Rr−2r2x+r2)dx=∫0hπ(h2R2−2Rr+r2x2+h2Rr−2r2x+r2)dx=π(3h2R2−2Rr+r2x3+hRr−r2x2+r2x)0h=πh(3R2−2Rr+r2+Rr−r2+r2)=31πh(R2+Rr+r2)
侧面积
同样地,要使用弧微分:
dSS=2πyds=2π(hR−rx+r)1+(hR−r)2dx=2πhl(hR−rx+r)dx=∫0h2πhl(hR−rx+r)dx=2πhl(2hR−rx2+rx)0h=πl(R+r)
球
这里给出两种方法,可以用参数方程最终对 θ 积分,也可以对 x 积分,权当练习。
写出圆的参数方程:
{x=Rcosθy=Rsinθ
由于 x∈[−R,R] 则 θ∈[0,π] 且由参数方程求导法则有:
y′=dxdy=dθdxdθdy=−tanθ1
体积
可以不用参数方程,直接求:
dVV=πy2dx=π(R2−x2)dx=∫−RRπ(R2−x2)dx=π(R2x−31x3)−RR=34πR3
也可以用参数方程求,这里用到了换元积分法,而且对 θ 积分时应当是从 π 到 0,对应 x 从 −R 到 R:
dVV=πy2dx=−πR3sin3θdθ=∫π0(−πR3sin3θ)dθ=πR3∫0πsin3θdθ=πR3∫0πsinθ(1−cos2θ)dθ=πR3∫0π(cos2θ−1)d(cosθ)=πR3(31cos3θ−cosθ)0π=34πR3
表面积
虽然第一个方法不对 θ 积分,但还是借用了一下参数方程列关系式:
dSS=2πyds=2πRsinθ1+tan2θ1dx=2πRdx=∫−RR2πRdx=4πR2
参数方程,也是从 π 到 0 积:
dSS=2πyds=2πRsinθ1+tan2θ1dx=−2πR2sinθdθ=∫π0(−2πR2sinθ)dθ=2πR2∫0πsinθdθ=−2πR2cosθ0π=4πR2