数学 公式 の 不思議 な 関係

s - 71

★   長さ の 公式 を  積分する と  面積 の 公式  となる

           2019 8 1  In Put Test    np - 71 ( 亀さん )


                →         

            円 周 の 長 さ                     円 の 面 積

            L = 2 π r               ∫ L d l  = ∫ 2 π r d r  =  π r 2  =  S



★   面積 の 公式 を  積分する と  体積 の 公式  となる


                  →     

            円 の 面 積                       円 錐 の 体 積

           S = π r 2           ∫ S d s  = ∫ π r 2 d r  =  (2/3) π r 3  =  V

    円 の 面 積 を 積 分 すると 円 錐 の 体 積 となるのは 、 円 の 中 心 をつまんで 引き上げる と 円 錐 となる

         ためでしょうか               お笑いです



★   球 の 表 面 積 公 式 は この 球 を 内 接 する 円 筒 の 側 面 関 の 公 式

                   と 同 じ ことを 発 見 しました 



                  

                 中 学 生 の 数 学 の 教 科 書 にのっておりました

       半 球 に 太めの 毛 糸 を 巻きつけ ました、この 半 球 を 内 接 する 円 筒 に 同じく

        太めの 毛 糸 を 側 面 に 巻き付け ました

               巻 き 付 け た 毛 糸 の 長 さ は 共 に 等 し かった という。

   従って、半 球 の 表面積 とこの 半球 を内接する 円筒 の 側面関 は等しいことが 理 解 できます。



      球 の 表面積 の 公 式  S = 4 π r 2  の 導 き方 は いろいろ あります     


        �@    球 の 表 面 積  の 求 め 方   (1)

                    

        表 面 積 の 変 化 量 が 一定 になるように、積分方向 を変えて、球 の 表 面 に沿って 積 分 する

        図 において 円 周 を 球 の 表 面 に沿った l 方向に積分 すると
、

        S = 2 ∫ 0r π √ (r2 -x2) d l  より、 l = r θ なので、 x = r sin θ と 置 換 すると、   

            S = 4 π r 2 ∫ 0 π/2 √ ( r2 - r2 sin2 θ) r dθ 

             = 4 π r 2 ∫ 0 π/2 cosθ dθ 
= 4 πr2 〔 sinθ〕 0π/2 =  4 π r2

            となり、 球 の 表 面 積 の 公 式  を 導 くことができる



         �A   球 の 表 面 積  の 求 め 方   (2)

                        

            図 の ような コーン ( 円 錐 体 ) を考える。

        図 では、1 個 しかないが、これが 球 面 上 に 密 集 しているように 沢 山 詰 め

        込 ま れ ていると 想 像 してください。  コーン の 高 さ は r と 等 しいとします。

            詰 め 込 ま れ た コーン の数を n 個 とすると

        1個 の コーン の 底 面 積 を  Sc とすると、体 積 は  Vc = (1/3) Sc r となる


            n 個 の コーン の 底 面 積 の 総 和 を S とすると   S = n Sc 

           体 積 の 総 和  を V とすると   V = n Vc = n (1/3) Sc r
 である

         ここで、コーン の 底 面 積 の 総 和  S = lim n→∞ Σ n Sc ≒ 球 の 表 面 積 となる

         一方、 コーン の 体 積 の 総 和  V = lim n→∞ Σ n Vc ≒ (1/3) S r= 球 の 体 積 となる

              従って、球 の 表 面 積  S  と 体 積  V   には、

             次 の 等 式 V = (1/3) S r =  (4/3) π r3 が 成り立つ。

                  よって、       S = 4 π r2   が 得られる



         �B    球 の 表 面 積  の 求 め 方   (3)


            球 の 表 面 に 図 に 示すように 微 小 面 積 を 考える。

           これを、二 重 積 分  して 球 の 表 面 積 の 公 式 を 求める



           


            二重積分、多重積分 は 高校時代 大学時代 に 勉 強 しませんでした。

             難 しそうなので 無 意 識 的 に 拒 絶 反 応 があったのでしょう。

                高等数学 に 一歩 入った 感 じです。

           後 期 高 齢 者 8 0才 になってはじめて の 体 験、満 足 度 100 %
です


     
        ▼  球 を 内 接 する 円 筒 の 側 面 関 の 公 式  と  円 筒 の 全 面 積 の 公 式

                        


             側 面 関   Ss = 4 π r2         全 面 積  St = 6 π r2

             Ss = (円周 の長さ) × 高 さ = 2πr × 2 r  =  4 π r 2

             St = Ss + (低面積 + 上面積) = 4πr 2 + 2πr 2 = 6 π r 2



★    体 積 比     円 錐 。 球 。 円 筒


               


   円 筒 に 内 接 する 球 と 円 錐 において 面 白 い 関 係 を 発 見 しました 


            体 積  と  表 面 積 の 公 式 

  
円 錐     V = (1/3) S h = (2/3) π r3     
S = ( 1 + √5 ) π r2

  
球      V = (4/3) π r3              S = 4 π r2

  円 筒
      V = 2 π r3                S = 6 π r2



    
●   体 積 比  円 錐 “ 球 “ 円 筒 = 1 “ 2 “ 3

【 (2/3) πr3 】“ 【 (4/3) πr3】“ 【 2 πr3 】= (2/3) “(4/3) “2= 1 . 2 . 3

            きれいな 体 積 比 です


    
●   体 積 と 表 面 積 の 公 式      大 発 見

     “ 体 積 の 公 式 を 微 分 すると 表 面 積 の 公 式 となる “

   円 錐  d V / d r =【 (2/3) π r3 】= 2 π r2
≠ S = ( 1 +√5 ) πr2


     球    dV / d r = 【 (4/3) π r3 】` = 4 π r2  =  S

   
円 筒    d V / d r = 【 2 π r3 】` = 6 π r2  =  S

        さらに “ 表 面 積 の 公 式 を 積 分 すると 体 積 の 公 式 となる “

    円 錐    ∫ S d r = ∫0 r 2 π r2 d r = (2/3) πr3  =  V

    球     ∫ S d r = ∫0 r 4 π r2 d r = (4/3) π r3  =  V

   円 筒    ∫ S d r = ∫0 r 6 π r2 d r = 2 π r3  =  V


 
さらに  円筒 の 側 面 積 の 公 式 を 積 分 すると内接球 の 体 積 の 公 式 となる 

      
∫ Sh d r = ∫ 0 r 4 π r2 d r = (4/3) π r3  =  V


 驚 きました 体 積 と 表 面 積 の 公 式 が 微 分 と 積 分 で 導 かれるとは 

  この 発 見 は 公 式 を 並べて 眺 めて いる中 に 気 づ き ました


       
摩 訶不 思 議 ひとり 悦 に 入っております 



 ★        【 微 分 と 積 分 の 関 係 】


      
球 の 体 積 の 公 式 を 微 分 すると 球 の 表 面 積 の 公 式 となります

         更
に 、 球 を 内 接 す る  円 筒 の 側 面 関  と 等 し い

     球
の 体 積 の 公 式  V = (4/3) π r3    dV / d r = 4 π r2 = 球 の 表 面 積 の 公 式

          
       
また 、 球 の 表 面 積 の 公 式 を 積 分 すると 球 の 体 積 の 公 式 になります

        微 分 
と 積 分 は  陰 陽   裏 表  の 関 係 にあることを 実 感 しました