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阿基米德如何求得抛物线弓形面积

2023-06-30 20:30 作者:做一道彩虹  | 我要投稿

首先需要三个引理。

图1 抛物线切线与角平分线

第一,F点为抛物线焦点,A点为抛物线P点到准线的垂足,则抛物线P点处的切线为∠FPA的角平分线。由抛物线的定义,PF=PA,可知切线垂直于FA,即切线也可表述为过P点做的FA的垂线PB。可以用反证法证明,若PB不是切线,则与抛物线有两个交点P1、P2,即PB既是∠FP1A1的角平分线,又是∠FP2A2的角平分线,但∠FP1A1≠∠FP2A2,矛盾。

椭圆和双曲线也有类似的性质。

图2 椭圆切线与角平分线
图3 双曲线切线与角平分线
图4 由抛物线的弦构造抛物线的切线

第二,过抛物线弦AB的中点M做对称轴的平行线、交抛物线于M',则抛物线M'点处的切线平行于AB。用解析几何很容易证明,至于阿基米德时代,欧几里得的《几何原本》、其学生阿波罗尼奥斯的《圆锥曲线论》已经将平面几何发展到极致,可以用线段、比例、相似等平面几何方法证明。

图5 阿基米德三角形性质

第三,过抛物线弦AB的中点M做对称轴的平行线,过点A、点B做抛物线的切线,则这三条线交于一点S。很容易证明S点为图中粉色三角形的外心。这条引理等价为,过抛物线弦AB两个端点的两条切线交于一点S,过点S做对称轴的平行线交AB于点M,则点M为AB的中点。ΔSAB称为阿基米德三角形。

图6 利用阿基米德三角形求解弓形面积

有了上述引理,就可以用平面几何方法计算抛物线与弦AB围成的弓形面积了。

图7 弓形面积为阿基米德三角形面积的2/3

按照此穷竭法操作,一直到极限,可知抛物线将阿基米德三角形SAB分成两份,面积比为1:2。也可以表述为,弓形面积为阿基米德三角形SAB面积的2/3,或者为ΔM'AB面积的4/3

图8 利用微积分求解弓形面积

虽然用微积分可以快速解得弓形面积,但阿基米德等人的贡献不可磨灭,数学不仅仅是计算技巧,更重要的是思想和逻辑。

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