圆周长公式推导
1.积分法
在平面直角坐标下圆的方程是x^2 + y^2 = r^2
这可以写成参数方程
x = r * Cos t
y = r * Sin t
t∈[0, 2π]
于是圆周长就是
C = ∫(0到2π)√( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 ) dt
(Q:此处x,y对t为什么都要导?
A: 将一个圆的周长分成n份,x'(t)=△x=xn-x(n-1), y'(t)=△y=yn-y(n-1).当n→∞,△x,△y→0时,可将每一份以直代曲,即每一份的长度C/n=√(△x^2+△y^2)=
√( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 ).所以C就是√( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 )从0到2π的积分.虽然不导得出的结果是一样的,但原理方面就解释不通了.)
=∫(0到2π)√( (-rSint)^2 + (rCost)^2 ) dt
=∫(0到2π) r dt
= 2πr
2.极限法
在圆内做内接等n边形,
求等n边形周长:可以分割成n个以圆心为顶点的三角形,
其底边长为 2*r*sin(π/n) ,所以等n边形周长为
n*2*r*sin(π/n)
这个周长对n→∞求极限
lim[n*2*r*sin(π/n)]
运用等价无穷小规则,当x→0时,有sinx→x
所以lim[n*2*r*sin(π/n)] =lim[n*2*r*π/n]=2πr.
圆面积公式推导
应用圆周长C = 2π r
1.可以将圆分成两个半圆两个半圆,再将两个半圆分成无数个面积相等的扇形并展开,在
拼接起来,底边可以以直代曲,那么就是一个底边长为πr,高为r的矩形。
这是小学的推导法,但有微积分的思想在其中。
2.积分法
可将圆看成由无数个同心圆环组成. 设圆半径为R,里面的同心圆环半径为r,为自变量.设每个圆环厚度为dr→0,则圆环周长可看为2πr,圆面积为所有这些圆环的面积之和.所以S = ∫ 2πr dr,从0积到R.
所以S=2π[1/2(R^2-0^2)]= πR^2.(球体积公式推导方法中的“球壳法 Shell Method”与此法是类似的.)
不应用圆周长C = 2π r
1. 积分法
(1)圆方程为x^2+y^2=r^2.只需算出第一象限(0积到r),然后乘以4.方法和求曲边梯形面积类似,具体不再叙述.
(2)我们回过头来看到上面周长推导中的Q和A. C/n=√(△x^2+△y^2)= √( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 ),每份C/n与两条半径组成的扇形的底面曲边是可以以直代曲的,那每个小扇
形可以看成以C/n为底、r为高的等边三角形,每个面积就是r* C/n*1/2=1/2*r*√(△x^2+△y^2)= 1/2*r*√( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 ).
于是圆的面积就是
S=∫(0到2π) 1/2*r*√( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 ) dt
=1/2*r*∫(0到2π) √( (x'(t))^2 + (y'(t))^2 ) dt
=1/2*r*C
=1/2*r*2πr
=πr^2.
2.极限法
类似于上面周长公式的极限法推导,在圆内做内接等n边形,
求等n边形面积:可以分割成n个以圆心为顶点的三角形,
根据正弦定理,其面积为 1/2*r*r*sin(2*π/n) ,所以等n边形面积为
n*1/2*r^2*sin(2*π/n)
这个面积对n→∞求极限
lim[n*1/2*r^2*sin(2*π/n)]
运用等价无穷小规则,当x→0时,有sinx→x
所以lim[n*1/2*r^2*sin(2*π/n)]
=lim[n*1/2*r^2*2*π/n]=πr^2*π.。