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為什麼圓的周長是圓周率乘直徑

生活 更新时间:2025-01-19 23:12:08

圓的面積公式:

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)1

圓的周長公式:

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)2

如果對圓面積公式的自變量r求導,則會發現

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)3

與周長公式完全相同,這是為什麼呢?

對于一個半徑為1的圓的面積,等同于底為2π(6.28),高為1的三角形面積。

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)4

我們可以這樣理解r的變化對于圓面積的變化:

每當r增加一個很小的增量Δr(Δr 0),圓的面積就增大一圈:

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對應的三角形面積也增加一層:

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)6

圓增加的圓和三角形增加的層,都可以看成增加了一個2π(t Δt)的圓或線,于是無窮個這樣的圓(總半徑和度為1)疊加成為該圓的面積。

所以我們可以用定積分來求圓的面積(半徑為1的圓):

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)7

F(r)為f(r)的原函數

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)8

當數學引入微積分後,我們就需要理解“無窮個疊加成有限個”這個思想。

如:一個長度為1的線段是由無數個點所構成的;一個體積為1的正方體是由無數個面積為1的長方形構成的。

這個也可以這樣想:無數個低維物體構成一個有限的高維物體。

點是一維的,線段是二維的;

長方形是二維的,長方體是三維的。

對于這個理解,以前的數學家們也是花了很長的時間,比如著名的“追烏龜(阿基裡斯悖論)”:

阿基裡斯(又名阿喀琉斯)是古希臘神話中善跑的英雄。在他和烏龜的競賽中,他速度為烏龜十倍,烏龜在前面100米跑,他在後面追,但他不可能追上烏龜。因為在競賽中,追者首先必須到達被追者的出發點,當阿基裡斯追到100米時,烏龜已經又向前爬了10米,于是,一個新的起點産生了;阿基裡斯必須繼續追,而當他追到烏龜爬的這10米時,烏龜又已經向前爬了1米,阿基裡斯隻能再追向那個1米。就這樣,烏龜會制造出無窮個起點,它總能在起點與自己之間制造出一個距不管這個距離有多小,但隻要烏龜不停地奮力向前爬,阿基裡斯就永遠也追不上烏龜!

“烏龜” 動得最慢的物體不會被動得最快的物體追上。由于追趕者首先應該達到被追者出發之點,此時被追者已經往前走了一段距離。因此被追者總是在追趕者前面。”

為什麼圓的周長是圓周率乘直徑(為什麼圓的面積公式的導數是周長公式)9

這個悖論就是将追上的總距離無數細分:10 1 1/10 1/100 1/1000…...

《莊子·天下篇》中也提到:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭。”

這個也是将一個有限長度的棰無限細分:1/2 1/4 1/8 1/16……

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