使用第二象限平移圆积分推导圆面积的错误排查请求
使用第二象限平移圆积分推导圆面积的错误排查请求
嗨,我来帮你排查这个推导里的问题~
你的核心思路没问题——通过平移把原本在第二象限的圆段移到x从0到r的区间来积分,但问题出在平移后的圆的方程推导上,勾股定理的应用细节错了。我们一步步理清楚:
- 原本你想处理的是原点为圆心、半径r的圆的第二象限部分(x从-r到0,y≥0),方程是$x^2 + y^2 = r^2$。
- 现在要把这部分平移到x从0到r的区间,相当于把整个圆向右平移r个单位,此时新的圆心坐标应该是$(r, 0)$(原来的圆心$(0,0)$右移r后到达的位置)。
- 对于平移后圆上的任意一点$(x, y)$,它到新圆心$(r, 0)$的距离等于半径r。根据勾股定理:水平方向的距离是$r - x$(因为点的x在0到r之间,比圆心的x=r小,所以差值为正),垂直方向是$y$,因此等式应该是:
(r - x)^2 + y^2 = r^2 - 展开并化简这个式子:
$$r^2 - 2rx + x^2 + y^2 = r^2$$
消去两边的$r^2$后得到:
$$y^2 = 2rx - x^2$$
所以正确的$y$应该是$\sqrt{2rx - x^2}$,而不是你写的$\sqrt{-2rx + x^2}$——你这里把平方项的符号搞反了,导致当x在0到r之间时,$-2rx + x^2 = x(x - 2r)$,x为正、x-2r为负,整个根号内是负数,没有实数解,这显然不符合我们要积分的是正的y值的实际情况。
我们来验证修正后的积分:
把被积函数$\sqrt{2rx - x2}$变形为$\sqrt{r2 - (x - r)^2}$,做变量替换$u = x - r$,$du = dx$,当$x=0$时$u=-r$,$x=r$时$u=0$,积分就变成:
$$4\int_{-r}^0 \sqrt{r^2 - u^2} , du$$
这个积分的几何意义就是第二象限内四分之一圆的面积($\frac{\pi r^2}{4}$),乘以4之后正好得到$\pi r^2$,和正确的圆面积公式完全一致。
所以你之前的问题完全是推导平移后y的表达式时符号搞错了,修正之后这个方法是完全可行的~
备注:内容来源于stack exchange,提问作者RTF
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