用定积分怎么求圆的面积,用积分法求一部分圆的面积

首页 > 实用技巧 > 作者:YD1662023-06-27 12:02:42

一、为什么会说这是一种数学直觉呢?

用定积分怎么求圆的面积,用积分法求一部分圆的面积(1)

小学课本中圆的面积公式推导

如上图所示,在小学数学教材中,将圆分解成无数等分的小扇形,当每一分足够小时,每个小扇形可以看成一个三角形,在将这些三角形拼成近似的长方形,长方形的面积等于圆的面积。这是一种朴素“化圆为方”的思想,把未知问题转换成已知问题去求解。其中的近似处理也会给大家产生一种“圆的面积公式是近似公式”的嫌疑。

上述方法只是为了帮助小学生们理解公式,并不是严格的推导,事实上,圆的面积公式经过了一系列的演化,修正才变成今天的样子。从4000多年前,古巴比伦、古埃及的近似公式,到古希腊亚里士多德提出并严格证明,我国古代数学家刘徽用割圆术对圆周率精确计算,再到近现代利用极限,三角函数,微积分多种方法的验证,经过漫长了的过程。接下来我们将回顾圆的面积产生过程,重点研究亚里士多德对圆的面积公式贡献。


二.圆的面积近似公式


1.公元前2000年前的古巴比伦人为了准确丈量各种形状土地的面积,以收取赋税,出现了对圆的面积计算的近似方法。根据泥版YBC7302上的记载,圆面积和周长之间的关系式为:

用定积分怎么求圆的面积,用积分法求一部分圆的面积(2)

古巴比伦圆的面积的公式

公式中C为圆的周长(下同)。

对比今天的公式,我们发现其计算出的面积比实际大约4.7%。四千多年前有公式推导已属不易,不光需要缜密的思维,还依赖精确的测量技术,所以这么大的误差也可以理解。


2.古埃及的数学知识记录在出土的两卷纸草书书上,纸草书的年代在公元前1850~前1650年之间。纸草书给出圆面积的计算方法:将直径减去它的1/9之后再平方。用公式可表示为:

用定积分怎么求圆的面积,用积分法求一部分圆的面积(3)

古埃及圆的面积公式

公式中d为圆的直径(下同)。

根据此公式计算出的圆周率约为3.1605,误差约为0.6%,可见已经非常精确了。古埃及人能建造出那么宏大的金字塔,其先进的数学知识及精密的测量技术功不可没。

上面两个近似公式都将圆的面积表示为已知正方形面积的一部分,即“化圆为方”。


三. 阿基米德关于圆的面积公式的证明


(一).阿基米德与圆

公元前约225年,阿基米德发表了一篇论文《圆的测定》,其中第一个命题就对圆的面积做了透彻的分析和严格的证明。《圆的测定》开篇断言:任意圆的面积,与两条直角边长分别为该圆半径和周长的直角三角形的面积相等。

用定积分怎么求圆的面积,用积分法求一部分圆的面积(4)

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