圓的周長和面積推導


我們規定長方形的面積是長乘上寬,其它圖形的面積都必須有一個統一的度量方法,這樣才有辦法進行面積的比較,這個度量標准

就是矩形的面積比如三角形的面積,相當於它所在的矩形的面積的一半,如圖

   

所以三角形的面積自然就是:底乘上高的面積的一半。

再比如平行四邊形的面積,如圖

        

它的面積都會等於一個矩形面積的一半,所以平行四邊形的面積自然就是:底乘上高。

對於規則圖形的周長就是各邊的長度相加,那圓的周長呢?圓的面積怎么用矩形來度量呢?

1)圓的周長

   想要知道圓的周長,可以直接通過測量的方式,找幾個圓形的物體,分別量出它們的周長和直徑,並計算出周長和直徑的比值。通過試驗和統計,

   我們可以知道,圓的周長總是直徑的三倍多一些,這個比值就是 $\pi$。

   經過統計可以發現圓的周長和半徑的比值是確定的,但這個數值卻無法被精確得到,普通的測量方法,得到的比值精度是有限的,到目前為止,科學家

   們還在致力於圓周率的計算。圓的周長計算公式為

$$l = 2\pi r$$

   這個比值是通過不斷地統計和測量發現的,一般取 $3.14$,這樣就可以通過測量圓的半徑來直接計算得到圓的周長,而不用去測量圓的周長。

2)圓的面積

   圓的周長已經知道,那圓的面積如何計算呢?或者說,圓的面積如何也采用統一的度量方式來得到?

   已經知道三角形的面積計算公式,我們可以由三角形的面積得到圓的面積,將圓按直徑進行 $n$ 等分,每一份是一個相同的扇形,如下

       

   當 $n\rightarrow +\infty$ 時,每一個小扇形就逼近於一個等腰三角形,如圖

       

   所以,這個近似的小三角形的面積為

$$\Delta S = \frac{\pi r^{2}}{n^{2}}\sqrt{n^{2} - \pi^{2}}$$

   所以圓的面積為

$$S = \lim_{n\rightarrow +\infty}n \Delta S = \lim_{n\rightarrow +\infty} \frac{\pi r^{2}}{n}\sqrt{n^{2} - \pi^{2}} = \pi r^{2}$$ 

   圓的面積本質也是用矩形的面積衡量的,需要用到逼近和極限的思想。

   進一步得,我們可以得到一個扇形的面積計算公式,設一個扇形半徑為 $r$,弧長為 $l$,則

$$S = \pi r^{2} \cdot \frac{l}{2\pi r} = \frac{1}{2}rl$$

   看起來很像三角形面積的計算公式。

 


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