一、公式的发现
个人06年~07年独立提出问题并总结的旋转体体积公式(前人也给出过):
V=2π∙G∙S
其中2π表示旋转一整周,G为旋转的二维平面的重心到旋转轴的距离(需要把所有面积归算到旋转轴的同一侧),S为旋转的二维平面的面积(同G的要求)。
二、公式的拓展
个人还对这个公式做了一些拓展,方便应用和记忆。
(一)旋转任意角度:
V=α∙G∙S
其中α为旋转的弧度(超过2π则按照2π计算)
(二)一维到二维的旋转
S=α∙G∙L
其中需要旋转轴变成了一个点,旋转的对象变成了一维曲线,需要将以为曲线全部投影到径向的长度L(指向旋转点),G为L的重心。
(三)0维到一维的旋转
这种情况下,旋转对象和旋转轴全都是一个点,G就是作为旋转对象的点到旋转点的距离。
L=α∙G
(四)三维到四维的旋转
会不会就是α∙G∙V呢?这有点难以想象。
三、公式的应用
圆环的体积
二维的圆形围绕垂直于平面的轴旋转360°即为3D圆环(类似于手镯),可以直接套公式2π∙G∙S就可以得到体积。
四、公式的几何证明
任何形状都可以被不同大小形状的三角形完全填满,任何三角形又可以被直角三角形填充。在直角三角形围绕旋转轴旋转成体问题中,直角三角形和旋转轴可以分为三种情况,一条边与旋转轴重合,一个点在旋转轴上,以及完全分离。而一条斜边与旋转轴重合的情况,可以分解成两个直角三角形的直角边与旋转轴重合,其他两种情况都可以转化成加法或者减法,变成直角边与旋转轴重合的情况(具体过程就没记了)。因此只需要证明这一种情况,整个问题就被证明了。
以上情况旋转360°变成了圆锥,体积公式:
V=1/3∙π∙r^2∙h=2π∙1/3 r∙1/2 rh=2π∙G∙S
当然,这种证明方法有问题,需要先有重心的性质和圆锥体积公式(圆锥体积实际可以绕过)。常见的是积分方法,网上都有。