圆球的表面积公式是怎么推导的,圆球表面积怎么计算公式

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-03-31 01:01:51

俯视图: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。

圆球的表面积公式是怎么推导的,圆球表面积怎么计算公式(5)

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:

圆球的表面积公式是怎么推导的,圆球表面积怎么计算公式(6)

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。

圆球的表面积公式是怎么推导的,圆球表面积怎么计算公式(7)

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。

圆球的表面积公式是怎么推导的,圆球表面积怎么计算公式(8)

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