在几何学中,规则图形的面积和体积非常容易计算,我们在初高中都已经掌握了这些基本的计算公式,如下图像所示

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(1)

当涉及到曲面时,一般公式的计算方法就会统统失效,这时就需要微积分的知识来完成,如下是一个不规则的曲面,要计算它的体积,一般公式是无法计算的

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(2)

这里我们不是将其分割成无限多的矩形,而是将其分割成无限多的薄片,每个薄片都是一个二维区域,这给我们的计算提供了可能

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(3)

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(4)

从最简单的球体出发,在水平方向上,我们可以将这个圆切成无限多的薄片,每个圆薄片的半径都对应一个y值

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(5)

即A=πy^2

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(6)

因为圆的面积是πr^2,但球体的的半径是不变的,所以我们可以根据勾股定理作一个直角三角形,得到y=r^2-x^2 如下图所示

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(7)

这样就与x建立了联系,且区间是(-r, r),因为球体关于y轴对称,所以根据微积分原理我们就得到如下结论

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(8)

这样最终就得到了球的体积

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(9)

所以无限的二维平面的叠加,就是三维物体的体积,但需要微积分作为桥梁

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(10)

我们继续延伸,如下是一个X^1/2图形绕x轴旋转产生的不规则物体,如何来计算它的体积呢?

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(11)

同样采用叠加所有横截面来进行计算

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(12)

但这里的半径r是X^1/2,所以有关横截面积就是πX

微积分如何固定体积求最大表面积(用微积分来计算不规则图形的体积)(13)

这样我们就得到了(0,1)区间上该物体的体积,如下图所示

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这些伟大的发现都是基于牛顿和莱布尼兹的发现

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