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帕普斯定理

2022-09-26 22:46 作者:我恨PDN定理  | 我要投稿

帕普斯定理,這里專指物理學(xué)中關(guān)于確定物體質(zhì)心的定理,在百度百科中給出了這樣的定義:

1、若平面曲線C,繞直線L旋轉(zhuǎn)(C和L共面且C在L的一側(cè)),則所得旋轉(zhuǎn)曲面的面積S,等于母曲線C的長度,與C的重心在旋轉(zhuǎn)過程中所走路程的長度的乘積;

2、若部分平面A繞同一平面內(nèi)的一條直線旋轉(zhuǎn)(此直線至多只能為A共邊界點(diǎn)),則所得旋轉(zhuǎn)體的體積V,等于A的面積,與A的重心在旋轉(zhuǎn)過程中所走路程長度的乘積。

這個定理的證明并不復(fù)雜,我們以第二個為例(平面形式)來給出證明:

我們假設(shè)平面區(qū)域%5CSigma%20面積存在,假設(shè)為單連通區(qū)域(若為復(fù)連通區(qū)域可通過有限條割線分割成單連通區(qū)域討論),記其旋轉(zhuǎn)軸為x軸如圖

因?yàn)槭蔷鶆蚍植嫉奈覀兛紤]重心公式中的縱坐標(biāo),即

%5Cbar%7By%7D%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BA%7D%5Ciint%20%5Climits_%7BD%7D%7By%5C%3Bd%5Csigma%20%7D

其中A為平面區(qū)域%5CSigma%20的面積,d%5Csigma%20為面積微元

又由我們給出的條件,則有:

%5Cbar%7By%7D%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BA%7D%5Ciint%20%5Climits_%7BD%7D%7By%5C%3Bd%5Csigma%20%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BA%7D%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20(%5Cint_%7Bg(x)%7D%5E%7Bf(x)%7D%7By%5C%3Bdy%7D)%5C%3B%7Bdx%7D%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BA%7D%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20(%7B%5Cfrac%7By%5E2%7D%7B2%7D%5CBigg%7C_%7Bg(x)%7D%5E%7Bf(x)%7D%7D)%5C%3B%7Bdx%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2A%7D%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20%7B(f%5E2(x)-g%5E2(x))%5C%3Bdx%7D

另一方面,旋轉(zhuǎn)體的體積為

V%3DV_1-V_2%3D%5Cpi%5C%3B(%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%7Bf%5E2(x)%5C%3Bdx%7D-%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%7Bg%5E2(x)%5C%3Bdx%7D)%3D%5Cpi%20%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20%7B(f%5E2(x)-g%5E2(x))%5C%3Bdx%7D

綜上,有質(zhì)心運(yùn)動距離C與旋轉(zhuǎn)體體積V的關(guān)系:

C%5Ccdot%20A%3D2%5Cpi%20%5Ccdot%5Cbar%7By%7D%5Ccdot%20A%3D%5Cpi%20%20%5Cint_%7Ba%7D%5E%7Bb%7D%20%7B(f%5E2(x)-g%5E2(x))%5C%3Bdx%7D%3DV

于是帕普斯定理證畢!

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