如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

前段时间有人问,球的体积计算公式是什么?

由于长期依赖各类搜索,再加上对睡觉刷剧电子竞技等一系列新兴趣的开发,这些似曾相识的公式早被我抛诸脑后。之后再拿起笔尝试推导我才愕然发现,基础的微积分计算法则好像也有些生疏了。

于是我开始了相关探索,半天下来,不仅成功算了个球的表面积,还算了个球的体积,而这个过程,和微积分法则毫无关系。那么怎样不用微积分就能算个球呢?

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

Credit: 3blue1brown

首先,抛弃了微积分这一曲线计算利器,我们的替代工具是:一点点相似三角形知识一点点空间想象力,再加上中国古代数学家智慧的结晶——祖暅原理

算个球的表面积!

众所周知,球的表面积公式是 4πr2,正好是同半径圆形面积的4倍,这不禁让人浮想联翩,为什么正好是 4 倍呢?难道圆形面积和球体面积之间有什么不可告人的秘密?顺着这个思路下去你可能会觉得完全无从下手,感到弱小,可怜,又无助。

这也正是我初期经历的心路历程,直到我发现了另一个秘密:4πr2正好是这个球外接圆柱的外围面积。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

Credit: 3blue1brown

想象一下,如果把球表面划分小块,沿水平向四周投影,按理来说,这样投出的小块就可以正好铺满外面这个”圆筒”。因为圆筒的面积是圆周长乘上筒高:2πr*2r = 4πr2,和里面这颗球的表面积不谋而合!

就像下图右上角示意的那样,球上的小块被投影到圆筒上会变形,它们的宽度可能增大,而高度会相应变小。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

Credit: 3blue1brown

小块可以从平视和俯视两个方向来观察。那我们就来看看,投影过程中,我们的小块到底经历了什么不为人知的变化。

先看俯视图:

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

Credit: 3blue1brown

从中心轴往外投影,聪明的你一定已经发现,投影的距离越远,小块就会变得越宽。

所以纬度越高的地方,也就是越靠近上下顶点的小块,投到圆筒上之后,宽度增加得越多;位于赤道上的小块与圆筒相接,宽度也就不发生变化。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

EF 被拉长成了 CD

如果你知道相似三角形的比例关系,由于 △AEF和△ADC 相似,所以,这个增大的倍数是 r/d,也就是

CD/EF = r/d

对于球上不同的纬度,d 会改变,而球的半径 r 不变。越靠近两极,d 越小,r/d 就越大,小块的宽度增加也就越多,这和我们观察到的现象一致。

类似地,可以看看平视方向的情况:

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

Credit: 3blue1brown

显然,这个方向上的投影会让小块的高度萎缩,也就是黄色的线段长度会缩短。

因为球的体态圆胖,越靠近两极,小块越是趋近“平躺”,投影之后高度萎缩的也越多;而在赤道上,小块直立,投影不改变小块的高度。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

JH 投影后萎缩成了 EF

显然 ∠α=∠β=∠γ,于是 △HAD,△HIJ 两个三角形是相似三角形,根据比例关系,我们知道:

EF/JH = d/r

也就是说,平视方向投影会让小块高度萎缩,缩小比例是 d/r

于是神奇的现象发生了,球上的每一个小块经过投影之后形状的确会发生变化,宽度拉长了 r/d 倍,同时高度萎缩了 d/r 倍,而这两个倍数相乘正好等于 1

如此一来,小块投影前后的面积其实没有变化!仅仅利用几个三角形,我们就开心的证明了:计算球的面积可以用外接圆筒的面积来替代。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

投影变化前后,小块的面积不变

那么,算个球的表面积 S= S= 2πr*2r = 4πr2

祖暅原理

祖暅原理又叫 Cavalieri’s Principle(卡瓦列里原理),因为卡瓦列里在17世纪提出了类似的等积原理,用于复杂几何领域,但实际上祖暅的发现比他早了1100年。

“幂势既同,则积不容异”这句话就出自于祖暅。如果你对高中数学课本有印象,也许记得这里的“幂”指体积,“势”则为高度。意思就是:高度相同的物体,如果每个剖面面积也一样,它们的体积就相等。

祖暅原理的提出本是为了解决计算牟合方盖的体积问题,从而算球的体积。但现在更加常见的用法是下面这样:

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

图中球的体积等于圆柱去掉两个圆锥的体积,原因就是它们每个剖面的面积都相等。有兴趣的小伙伴可以用半球为例,试着计算。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

利用上图很容易发现,在高度是 h 的地方,球的截面积是:π*(r2-h2),而圆柱减去圆锥的截面积是:πr2(圆柱截面)-πh2(圆锥截面),它们正好相等。

于是,算个球问题一下变成了算圆柱和圆锥的体积问题。

算个球的体积!

了解了祖暅原理,我们就可以绕过微积分,直接算球了!

由祖暅原理,半球的体积经过我们巧妙的转化,成了用圆柱圆锥的体积来表示。

众所周知,圆柱体积是圆面积和高度相乘,V圆柱= πr2*r = πr3。而圆锥的体积,假如你不知道,查阅资料会发现 V圆锥= πr3/3,正好是圆柱的三分之一。

好奇宝宝也许会问,三分之一是怎么来的?既然你诚心诚意的问了,祖暅会大发慈悲的为你解答。

我们还是逮住之前的那个圆锥(截面面积是πh2),然后把烦人的 π 除去,截面积就成了 h2。那么谁的截面积是用 h2 表示呢?答:边长和高度都是 r 的四棱锥

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

a. 除去 π 后,圆锥变成了四棱锥(平视图)

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

b. 四棱锥每一个横截面都是边长为 h 的正方形(斜视图)

这下好了,仅仅是做了个除法,问题似乎已经简单多了!

但你可能还是会问,四棱锥的体积又要怎么计算呢?别着急,我们先好好观察一下这个四棱锥。它的顶点在中心上方,感觉还是不够友好,怎么能再变换一下形状呢,没错,是时候祭出祖暅原理了。

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

把顶点移到一个角上,新的四棱锥有三条互相垂直的边,并且体积不变

到了这里,问题基本上已经解决了。什么,你还没看出来?调动你的空间想象力,调整一下角度,把这样的四棱锥放在正方体里似乎正合适,你能看出可以同时放进几个吗?

如何不用微积分算个球?(如何不用微积分算个球的体积)

为了让你们相信是 3 个而精心制作的 gif 动图

3 个!万事大吉~

正方体的体积显然是 r3,这样一来,四棱锥体积就是 r3/3。接着,对应圆锥的体积只需要乘上 π,V圆锥= r3/3*π。最后半球的体积 V半球= V圆柱 – V圆锥= πr3-πr3/3 = 2/3 (πr3),所以 V= 4/3 (πr3),是不是和书上写的公式一模一样呢!

成功算球!完结撒花~

作为一期数学类的硬核推送,小编想说的是,很多时候只要切换一下思路,尝试别的工具,就可能开辟出新的道路。

所谓的数学之光,我想也就是在这里。

参考资料

Ⅰ. https://youtu.be/4_BEpekImQg

Ⅱ. https://b23.tv/av33120854

来源:牛油果进化论

编辑:Quanta Yuan

↓ 点击标题即可查看 ↓

1. 如果太阳biu的一声熄灭了,地球上会发生什么事情?

2. 每个摊煎饼的大妈,都是隐藏的流体力学专家

3. 你看的是《长安十二时辰》,我看的却是一部黑科技科普剧

4. 数学的深渊

5. 掉入海底一万米

6. 别人用脚、用声波都能打开瓶盖,为啥有的女生却拧不开?

7. 这是一篇理工男写的口红科普文

8. 声音最大能有多大?

9. 盲人看到的世界真是黑漆漆一片吗?

10. 用过的吸管不要扔,在火上烤一下,隔壁的小孩都…

版权声明:本文内容由互联网用户自发贡献,该文观点仅代表作者本人。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容, 请发送邮件至89291810@qq.com举报,一经查实,本站将立刻删除。
(0)
上一篇 2024年4月15日 上午11:46
下一篇 2024年4月15日 上午11:52

相关推荐

  • 重阳的来历

    重阳的来历 重阳节是中国传统节日之一,也是中华民族的传统文化之一。重阳节通常在每年的农历九月初九这一天庆祝,也称为“九九重阳节”。 重阳节起源于汉朝,当时皇帝为了祈求健康和长寿,下…

    教育百科 2024年12月28日
  • 南京女孩子厌学解决方法

    南京女孩子厌学解决方法 南京女孩子厌学是许多人面临的问题。许多女孩子都感到学习很枯燥,并且缺乏兴趣。对于这种情况,以下是一些解决方法: 1. 找到学习的兴趣点 女孩子可以试着找到学…

    教育百科 2025年3月15日
  • 三年级孩子有厌学情绪

    三年级孩子有厌学情绪 随着经济的发展和社会的进步,人们的生活水平逐渐提高,三年级的孩子也进入了一个新的阶段。然而,在这个新的阶段里,孩子们面临着越来越多的挑战,其中之一就是厌学情绪…

    教育百科 2025年7月12日
  • 眉山网瘾学校

    眉山网瘾学校:治疗网络成瘾的新模式 近年来,随着互联网的普及,越来越多的人开始沉迷于网络世界,其中也包括一些青少年。他们常常花费大量时间在社交媒体、游戏和在线学习中,导致学习成绩下…

    教育百科 2025年3月6日
  • 徐汇厌学孩子训练营报名

    徐汇厌学孩子训练营报名即将截止,为了帮助徐汇地区的厌学孩子重新找回学习的兴趣和动力,我们组织了一支专业的团队,推出了一系列针对厌学问题的训练营。报名目前已经开始,如果您的孩子也是厌…

    教育百科 2025年10月1日
  • 国庆结束不上学

    国庆结束不上学 今年的国庆节,我和我的家人一起去了北京旅游。这是一个非常愉快的假期,我们玩得非常开心,但是当我回到学校时,我却发现我不能上学了。这是因为国庆节放假的时间比我们要长的…

    教育百科 2025年4月23日
  • 西安小学休学需要什么手续

    西安小学休学需要什么手续 休学是指学生因为某种原因需要暂时离开学校,进行一段时间的调整和休息。对于西安小学的学生来说,休学需要什么手续呢?下面我们来详细分析一下。 休学需要满足一定…

    教育百科 2024年10月26日
  • 高中休学一年可以接着读吗(高中学休学一年 会保留学籍吗)

    在高中学休学一年,是否保留学籍,需要根据具体情况来确定。一般来说,学籍保留与否,主要取决于学校的规定和政策。 如果学校允许休学,那么可以在学校规定的时间内休学,并保留学籍。如果学校…

    教育百科 2024年5月3日
  • 青少年叛逆是大脑的问题吗(青少年叛逆是)

    青少年叛逆 青少年时期,通常是人们人生中最为关键和塑造期的阶段。然而,在这个年龄段,许多青少年可能会出现叛逆的情绪和行为。这种叛逆情绪通常表现为对家长、老师和社会的反抗和挑战,常常…

    教育百科 2024年3月20日
  • 大学休学三年了还能继续读嘛(大学休学三年没学籍了)

    大学休学三年没学籍了 自从我进入大学后,我一直非常努力,希望能够在学术上取得更好的成绩。但是,随着时间的推移,我发现自己的身体和心理状况都发生了变化,这让我不得不考虑休学一段时间。…

    教育百科 2024年7月4日

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注