你知道什麼是辛普森公式嗎?它是如何計算物體的體積和面積的?

2020-12-11 電子通信和數學

立體幾何中的辛普森公式可以把圓柱,圓錐,臺和球的體積計算統一起來,本文將談談辛普森公式的統一美的特徵及其運用。

1.辛普森公式的內容及證明:

如果垂直於x軸的立體的截面積s=s(x), x∈(a,b),是x的不高於三次的函數,則此立體的體積是:

證明:設s(x)=Ax^3+Bx^2+Cx+D則有

a,b中間值

證畢

2,辛普森公式在推導有關旋轉體及多面體的體積公式中的應用

(1)推導柱體體積公式:

設柱體上,下底面的面積為m,s中截面的面積為n,高為h,那麼辛普森公式有

<1>若令m=0,n=s/4,可得椎體體積為v=sh/3

<2>若令m=n=s,可得圓柱體體積為v=sh

<3>若令m=s=0,h=2r,n=πr^2,可得球體體積為v=4/3πr^3

例如:如圖所示,某一球缺高為h,所在球半徑為r,取某一個垂直x軸的截面,令PN=x

則截面面積為

推導旋轉橢圓球體體積公式:

有橢圓所圍成的的圖形繞其某一對稱軸旋轉而成的橢圓球體體積,可由辛普森公式推得,令x(-a,a)則垂直x軸的截面為s(-a)=0,s(a)=0,s(0)=πb^2,

該結論可由定積分來計算體積公式得到驗證

3.辛普森公式推導有關平面圖形的面積

我們可將辛普森公式中的s(a),s(b),s((a+b)/2)改為平面圖形的上,下底邊p,m和中位線的長n,就得到

這樣便可求得有關平面圖形的面積

例如:梯形面積的推導

三角形,矩形,正方形,菱形等面積公式都可有此得出

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