旋轉體體積公式


一、公式的發現

個人06年~07年獨立提出問題並總結的旋轉體體積公式(前人也給出過):
V=2π∙G∙S
其中2π表示旋轉一整周,G為旋轉的二維平面的重心到旋轉軸的距離(需要把所有面積歸算到旋轉軸的同一側),S為旋轉的二維平面的面積(同G的要求)。

二、公式的拓展

個人還對這個公式做了一些拓展,方便應用和記憶。
(一)旋轉任意角度:
V=α∙G∙S
其中α為旋轉的弧度(超過2π則按照2π計算)
(二)一維到二維的旋轉
S=α∙G∙L
其中需要旋轉軸變成了一個點,旋轉的對象變成了一維曲線,需要將以為曲線全部投影到徑向的長度L(指向旋轉點),G為L的重心。
(三)0維到一維的旋轉
這種情況下,旋轉對象和旋轉軸全都是一個點,G就是作為旋轉對象的點到旋轉點的距離。
L=α∙G

(四)三維到四維的旋轉
會不會就是α∙G∙V呢?這有點難以想象。

三、公式的應用

圓環的體積
二維的圓形圍繞垂直於平面的軸旋轉360°即為3D圓環(類似於手鐲),可以直接套公式2π∙G∙S就可以得到體積。

四、公式的幾何證明

任何形狀都可以被不同大小形狀的三角形完全填滿,任何三角形又可以被直角三角形填充。在直角三角形圍繞旋轉軸旋轉成體問題中,直角三角形和旋轉軸可以分為三種情況,一條邊與旋轉軸重合,一個點在旋轉軸上,以及完全分離。而一條斜邊與旋轉軸重合的情況,可以分解成兩個直角三角形的直角邊與旋轉軸重合,其他兩種情況都可以轉化成加法或者減法,變成直角邊與旋轉軸重合的情況(具體過程就沒記了)。因此只需要證明這一種情況,整個問題就被證明了。
直角三角形旋轉成三角錐
以上情況旋轉360°變成了圓錐,體積公式:
V=1/3∙π∙r^2∙h=2π∙1/3 r∙1/2 rh=2π∙G∙S
當然,這種證明方法有問題,需要先有重心的性質和圓錐體積公式(圓錐體積實際可以繞過)。常見的是積分方法,網上都有。


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