球体表面积公式推导(2种方法) – 微积分应用

我们知道,球体表面积:

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下面,我们用2种相对比较容易理解的方法来推导球体的表面积公式。

第1种方法:切片法+积分 推导球体表面积公式

1)将球心置于坐标系的原点O;

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2)将球体无限切割成均匀薄片。

任取其中一张薄片分析

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任意一张 厚度为dr的薄片

A,B分别为薄片的内侧点和外侧点

θ为A到圆心O的夹角

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圆环内圆的半径:

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圆环内圆的周长:

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展开后的圆环近似为一个长方形,如图:

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圆环展开后的图形,底为AB弧长,高为圆环内圆周长

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球体表面面积S = 所有圆环面积之和

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球体表面积=所有圆环面积之和

等价于以下积分形式:

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延伸思考:

作球体切片积分时,设 圆环薄片圆心C到O的距离为r,薄片的厚度为dr,

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注意用红色字体标注的部分,与已推导出来的积分式不一样

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已推导出来的积分式

导致积分结果不一样,思考一下,为什么?

望感兴趣的朋友留言解答。

第2种方法:从球体体积公式推导球体表面积公式

将球体看作 由n个高度为dr的薄层构成

每剥开一层,球体的体积就减少dv,

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球体表面积公式推导(2种方法) - 微积分应用

对球体体积函数v(r)求导,可得到球体表面积关于半径的函数s(r):

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