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祖冲之祖暅计算球体积与反函数,原来微积分如此简单

反函数简单的说,用y=f(x)求出x=f(y),比如y=x^2的反函数是x=y和x=-y(改变一下就是y=√x和y=-x)。他们有点像镜像的关系。完整定义大家可以去搜索一下。

如图

可以看出S1=S2.

那么祖暅计算球体积与反函数有什么关系呢?

如果我把上面的y=x^2函数乘以π,那么y=πx^2的原函数就是圆锥体y=1/3 πx^3+C。它的积分就是圆锥体。

那么1区间的反函数y=√(x/π)的积分是什么呢?它的原函数2/3*x^(3/2)/π+C,在【0-π】如果横切它其实就是圆柱体挖掉里面那个圆锥剩下的那部分。这个等于球体积的一部分。这个很难理解。

我们换一个角度思考。如图

求y=πx^2 ,[0-1]的积分=S1, y=√(x/π)[0-π]的积分=S2

设圆柱体半径和高都是R=1.

如果对这个圆柱体积分就是红色线与xy轴围起来的部分面积π*1 = π*R^3 = S1+S2.

S2=π*R^3 - S1=π*R^3 - 1/3 πR^3 = 2/3 πR^3

球体体积的原理

如果球体这样切割,那么它每个截面半径r = √(k^2-x^2),

它的截面积=πk^2 - πx^2,即圆环的面积

(πk^2是以k为半径的圆柱体的截面积,πx^2就是圆锥体的截面积,所以祖冲之祖暅推断半球体积等于圆柱体挖去圆锥的部分。祖暅原理“幂势既同则积不容异”两个物体相同高度面积相同体积就相等)


如果对它积分就是πk^2*x- (1/3)πx^3

设x=k时

半个球的体积就是 πk^3 - (1/3)πk^3 = (2/3)πk^3。

乘以二,球的体积就是(4/3)πk^3。

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