好文：圆锥的表面积和体积公式计算公式（圆锥的表面积和体积公式

　　前段时间有人问，球的体积计算公式是什么？
　　由于长期依赖各类搜索，再加上对睡觉，刷剧，电子竞技等一系列新兴趣的开发，这些似曾相识的公式早被我抛诸脑后。之后再拿起笔尝试推导我才愕然发现，基础的微积分计算法则好像也有些生疏了。
　　于是我开始了相关探索，半天下来，不仅成功算了个球的表面积，还算了个球的体积，而这个过程，和微积分法则毫无关系。那么怎样不用微积分就能算个球呢？
　　Credit：3blue1brown
　　首先，抛弃了微积分这一曲线计算利器，我们的替代工具是：一点点相似三角形知识，一点点空间想象力，再加上中国古代数学家智慧的结晶祖暅原理。
　　算个球的表面积！
　　众所周知，球的表面积公式是4r2，正好是同半径圆形面积的4倍，这不禁让人浮想联翩，为什么正好是4倍呢？难道圆形面积和球体面积之间有什么不可告人的秘密？顺着这个思路下去你可能会觉得完全无从下手，感到弱小，可怜，又无助。
　　这也正是我初期经历的心路历程，直到我发现了另一个秘密：4r2正好是这个球外接圆柱的外围面积。
　　Credit：3blue1brown
　　想象一下，如果把球表面划分小块，沿水平向四周投影，按理来说，这样投出的小块就可以正好铺满外面这个圆筒。因为圆筒的面积是圆周长乘上筒高：2r2r4r2，和里面这颗球的表面积不谋而合！
　　就像下图右上角示意的那样，球上的小块被投影到圆筒上会变形，它们的宽度可能增大，而高度会相应变小。
　　Credit：3blue1brown
　　小块可以从平视和俯视两个方向来观察。那我们就来看看，投影过程中，我们的小块到底经历了什么不为人知的变化。
　　先看俯视图：
　　Credit：3blue1brown
　　从中心轴往外投影，聪明的你一定已经发现，投影的距离越远，小块就会变得越宽。
　　所以纬度越高的地方，也就是越靠近上下顶点的小块，投到圆筒上之后，宽度增加得越多；位于赤道上的小块与圆筒相接，宽度也就不发生变化。
　　EF被拉长成了CD
　　如果你知道相似三角形的比例关系，由于AEF和ADC相似，所以，这个增大的倍数是rd，也就是
　　CDEFrd
　　对于球上不同的纬度，d会改变，而球的半径r不变。越靠近两极，d越小，rd就越大，小块的宽度增加也就越多，这和我们观察到的现象一致。
　　类似地，可以看看平视方向的情况：
　　Credit：3blue1brown
　　显然，这个方向上的投影会让小块的高度萎缩，也就是黄色的线段长度会缩短。
　　因为球的体态圆胖，越靠近两极，小块越是趋近平躺，投影之后高度萎缩的也越多；而在赤道上，小块直立，投影不改变小块的高度。
　　JH投影后萎缩成了EF
　　显然，于是HAD，HIJ两个三角形是相似三角形，根据比例关系，我们知道：
　　EFJHdr
　　也就是说，平视方向投影会让小块高度萎缩，缩小比例是dr。
　　于是神奇的现象发生了，球上的每一个小块经过投影之后形状的确会发生变化，宽度拉长了rd倍，同时高度萎缩了dr倍，而这两个倍数相乘正好等于1。
　　如此一来，小块投影前后的面积其实没有变化！仅仅利用几个三角形，我们就开心的证明了：计算球的面积可以用外接圆筒的面积来替代。
　　投影变化前后，小块的面积不变
　　那么，算个球的表面积S球S筒2r2r4r2。
　　祖暅原理
　　祖暅原理又叫Cavalieri’sPrinciple（卡瓦列里原理），因为卡瓦列里在17世纪提出了类似的等积原理，用于复杂几何领域，但实际上祖暅的发现比他早了1100年。
　　幂势既同，则积不容异这句话就出自于祖暅。如果你对高中数学课本有印象，也许记得这里的幂指体积，势则为高度。意思就是：高度相同的物体，如果每个剖面面积也一样，它们的体积就相等。
　　祖暅原理的提出本是为了解决计算牟合方盖的体积问题，从而算球的体积。但现在更加常见的用法是下面这样：
　　图中球的体积等于圆柱去掉两个圆锥的体积，原因就是它们每个剖面的面积都相等。有兴趣的小伙伴可以用半球为例，试着计算。
　　利用上图很容易发现，在高度是h的地方，球的截面积是：（r2h2），而圆柱减去圆锥的截面积是：r2（圆柱截面）h2（圆锥截面），它们正好相等。
　　于是，算个球问题一下变成了算圆柱和圆锥的体积问题。
　　算个球的体积！
　　了解了祖暅原理，我们就可以绕过微积分，直接算球了！
　　由祖暅原理，半球的体积经过我们巧妙的转化，成了用圆柱和圆锥的体积来表示。
　　众所周知，圆柱体积是圆面积和高度相乘，V圆柱r2rr3。而圆锥的体积，假如你不知道，查阅资料会发现V圆锥r33，正好是圆柱的三分之一。
　　好奇宝宝也许会问，三分之一是怎么来的？既然你诚心诚意的问了，祖暅会大发慈悲的为你解答。
　　我们还是逮住之前的那个圆锥（截面面积是h2），然后把烦人的除去，截面积就成了h2。那么谁的截面积是用h2表示呢？答：边长和高度都是r的四棱锥。
　　a。除去后，圆锥变成了四棱锥（平视图）
　　b。四棱锥每一个横截面都是边长为h的正方形（斜视图）
　　这下好了，仅仅是做了个除法，问题似乎已经简单多了！
　　但你可能还是会问，四棱锥的体积又要怎么计算呢？别着急，我们先好好观察一下这个四棱锥。它的顶点在中心上方，感觉还是不够友好，怎么能再变换一下形状呢，没错，是时候祭出祖暅原理了。
　　把顶点移到一个角上，新的四棱锥有三条互相垂直的边，并且体积不变
　　到了这里，问题基本上已经解决了。什么，你还没看出来？调动你的空间想象力，调整一下角度，把这样的四棱锥放在正方体里似乎正合适，你能看出可以同时放进几个吗？
　　为了让你们相信是3个而精心制作的gif动图
　　是3个！万事大吉
　　正方体的体积显然是r3，这样一来，四棱锥体积就是r33。接着，对应圆锥的体积只需要乘上，V圆锥r33。最后半球的体积V半球V圆柱V圆锥r3r3323（r3），所以V球43（r3），是不是和书上写的公式一模一样呢！
　　成功算球！完结撒花
　　作为一期数学类的硬核推送，小编想说的是，很多时候只要切换一下思路，尝试别的工具，就可能开辟出新的道路。
　　所谓的数学之光，我想也就是在这里。
　　参考资料
　　。https：youtu。be4BEpekImQg
　　。https：b23。tvav33120854
　　来源：牛油果进化论
　　编辑：QuantaYuan
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