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圓錐體積公式推導過程證明

生活 更新时间:2024-08-16 03:16:20

牛頓說過,一大類問題,如果已經知道函數的導函數,就可以根據微積分基本定理,用求積分的辦法求出原函數,這是微積分的基本精神,也是數學物理方法解微分方程的基本精神。我們以棱錐為例,來實踐牛頓的基本思想,看看微積分的威力。

體積對高度的導數

棱錐V-ABC中,令高AH =H,設底面⊿ABC的面積為S。過VH上任意一點H’做平面

A'B'C'//ABC,且與三條棱分别相交于A’,B’,C’ 點,與VH相交于H’。則有:AB//A’B’,BC//B’C’,CA//C’A’。且AH’⊥平面A’B’C’。所以⊿ABC與⊿A’B’C’對應的角相等,所以⊿ABC∽⊿A’B’C’。令⊿A’B’C’的面積為s,則有:

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)1

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)2

圖1

連接A,H,H,B;連接A’,H’,H’.B’;AH//A’H’,HB//B’H’,AB//A’B’.所以⊿ABH,⊿A’B’H’對應的角相等, 得到⊿ABH∽⊿A’B’H’。

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)3

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)4

這是s->h 函數關系,定義域為(0,H]。

現在我們将v設為棱錐V-A’B’C’的體積,H’變化,v也将随之變化,這樣v也是h的函數,我們來求:

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)5

在平面A’B’C’附近一點再做一平面平行于ABC且與AH相交于H’’,與對應的棱相交于A’’,B’’,C’’,令⊿h=H’H’’. 現在過A’,B’,C’;A’’,B’’.C’’分别向做平面A”B”C”與A’B’C’做垂直線,與相對平面相交形成的兩個棱柱的剛好夾住了所截取的棱錐部分。設所夾的棱錐部分的體積為⊿v。

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)6

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)7

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)8

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)9

棱錐V-ABC體積為

圓錐體積公式推導過程證明(棱錐體積公式的微積分推導)10

先确定微分形式,或者說先求導數,再求原函數,不僅僅可以用于求體積面積,在物理學中應用更為廣泛,是基本的數學物理技巧之一。正因為如此,牛頓在科學史上被排在了第一的位置。

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