稜錐體積公式的微積分推導

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。我們以稜錐為例,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

稜錐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,且與三條稜分別相交於A’,B’,C’ 點,與VH相交於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:

稜錐體積公式的微積分推導

稜錐體積公式的微積分推導

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’。

稜錐體積公式的微積分推導

稜錐體積公式的微積分推導

這是s->h 函數關係,定義域為(0,H]。

現在我們將v設為稜錐V-A’B’C’的體積,H’變化,v也將隨之變化,這樣v也是h的函數,我們來求:

稜錐體積公式的微積分推導

在平面A’B’C’附近一點再做一平面平行於ABC且與AH相交於H’’,與對應的稜相交於A’’,B’’,C’’,令⊿h=H’H’’. 現在過A’,B’,C’;A’’,B’’.C’’分別向做平面A”B”C”與A’B’C’做垂直線,與相對平面相交形成的兩個稜柱的剛好夾住了所截取的稜錐部分。設所夾的稜錐部分的體積為⊿v。

稜錐體積公式的微積分推導

稜錐體積公式的微積分推導

稜錐體積公式的微積分推導

稜錐體積公式的微積分推導

稜錐V-ABC體積為

稜錐體積公式的微積分推導

先確定微分形式,或者說先求導數,再求原函數,不僅僅可以用於求體積面積,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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