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阿基米德如何求得拋物線弓形面積

2023-06-30 20:30 作者:做一道彩虹  | 我要投稿

首先需要三個引理。

圖1 拋物線切線與角平分線

第一,F(xiàn)點為拋物線焦點,A點為拋物線P點到準(zhǔn)線的垂足,則拋物線P點處的切線為∠FPA的角平分線。由拋物線的定義,PF=PA,可知切線垂直于FA,即切線也可表述為過P點做的FA的垂線PB??梢杂梅醋C法證明,若PB不是切線,則與拋物線有兩個交點P1、P2,即PB既是∠FP1A1的角平分線,又是∠FP2A2的角平分線,但∠FP1A1≠∠FP2A2,矛盾。

橢圓和雙曲線也有類似的性質(zhì)。

圖2 橢圓切線與角平分線
圖3 雙曲線切線與角平分線
圖4 由拋物線的弦構(gòu)造拋物線的切線

第二,過拋物線弦AB的中點M做對稱軸的平行線、交拋物線于M',則拋物線M'點處的切線平行于AB。用解析幾何很容易證明,至于阿基米德時代,歐幾里得的《幾何原本》、其學(xué)生阿波羅尼奧斯的《圓錐曲線論》已經(jīng)將平面幾何發(fā)展到極致,可以用線段、比例、相似等平面幾何方法證明。

圖5 阿基米德三角形性質(zhì)

第三,過拋物線弦AB的中點M做對稱軸的平行線,過點A、點B做拋物線的切線,則這三條線交于一點S。很容易證明S點為圖中粉色三角形的外心。這條引理等價為,過拋物線弦AB兩個端點的兩條切線交于一點S,過點S做對稱軸的平行線交AB于點M,則點M為AB的中點。ΔSAB稱為阿基米德三角形。

圖6 利用阿基米德三角形求解弓形面積

有了上述引理,就可以用平面幾何方法計算拋物線與弦AB圍成的弓形面積了。

圖7 弓形面積為阿基米德三角形面積的2/3

按照此窮竭法操作,一直到極限,可知拋物線將阿基米德三角形SAB分成兩份,面積比為1:2。也可以表述為,弓形面積為阿基米德三角形SAB面積的2/3,或者為ΔM'AB面積的4/3。

圖8 利用微積分求解弓形面積

雖然用微積分可以快速解得弓形面積,但阿基米德等人的貢獻不可磨滅,數(shù)學(xué)不僅僅是計算技巧,更重要的是思想和邏輯。

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