曲线x =2+cos z 的一部分绕着z 轴旋转。
旋转曲面 是一条平面曲线 C绕它所在平面的一条直线 L旋转一周所生产的曲面,其中曲线C称之为该旋转曲面的母线,直线L称为该旋转曲面的旋转轴 。
例子包括球面 ,由圆 绕着其直径旋转而成,以及环面 ,由圆绕着外面的一条直线旋转而成。
面积
如果曲线由参数方程
x
(
t
)
{\displaystyle x(t)}
、
y
(
t
)
{\displaystyle y(t)}
给出,其中
a
<
t
<
b
{\displaystyle a<t<b}
,且旋转轴是
y
{\displaystyle y}
轴,则旋转曲面
A
{\displaystyle A}
的面积由以下的积分 给出:
A
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
a
b
x
(
t
)
(
d
x
d
t
)
2
+
(
d
y
d
t
)
2
d
t
,
{\displaystyle A=2\pi \int _{a}^{b}x(t)\ {\sqrt {\left({dx \over dt}\right)^{2}+\left({dy \over dt}\right)^{2}}}\,dt,}
条件是
x
(
t
)
{\displaystyle x(t)}
非负。这个公式与古尔丁定理 是等价的。
(
d
x
d
t
)
2
+
(
d
y
d
t
)
2
{\displaystyle \left({dx \over dt}\right)^{2}+\left({dy \over dt}\right)^{2}}
来自勾股定理 ,表示曲线的一小段弧,像弧长 的公式那样。
2
π π -->
x
(
t
)
{\displaystyle 2\pi x(t)}
是这一小段的(重心的)路径。
如果曲线的方程是y = f (x ),a ≤ x ≤ b ,则积分变为:
A
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
a
b
y
1
+
(
d
y
d
x
)
2
d
x
{\displaystyle A=2\pi \int _{a}^{b}y{\sqrt {1+\left({\frac {dy}{dx}}\right)^{2}}}\,dx}
(绕着x 轴旋转),
A
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
a
b
x
1
+
(
d
x
d
y
)
2
d
y
{\displaystyle A=2\pi \int _{a}^{b}x{\sqrt {1+\left({\frac {dx}{dy}}\right)^{2}}}\,dy}
(绕着y 轴旋转)。
这可以由以上的公式推出。
例如,单位半径的球面 由曲线x (t ) = sin(t ),y (t ) = cos(t )旋转而得,其中
0
<
t
<
π π -->
{\displaystyle 0<t<\pi }
。所以,它的面积为:
A
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
0
π π -->
sin
-->
(
t
)
(
cos
-->
(
t
)
)
2
+
(
sin
-->
(
t
)
)
2
d
t
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
0
π π -->
sin
-->
(
t
)
d
t
=
4
π π -->
.
{\displaystyle A=2\pi \int _{0}^{\pi }\sin(t){\sqrt {\left(\cos(t)\right)^{2}+\left(\sin(t)\right)^{2}}}\,dt=2\pi \int _{0}^{\pi }\sin(t)\,dt=4\pi .}
对于半径为r 的圆
y
(
x
)
=
r
2
− − -->
x
2
{\displaystyle y(x)={\sqrt {r^{2}-x^{2}}}}
绕着x 轴旋转所得的曲面,
A
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
− − -->
r
r
r
2
− − -->
x
2
1
+
x
2
r
2
− − -->
x
2
d
x
{\displaystyle A=2\pi \int _{-r}^{r}{\sqrt {r^{2}-x^{2}}}\,{\sqrt {1+{\frac {x^{2}}{r^{2}-x^{2}}}}}\,dx}
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
− − -->
r
r
r
r
2
− − -->
x
2
1
r
2
− − -->
x
2
d
x
{\displaystyle =2\pi \int _{-r}^{r}r\,{\sqrt {r^{2}-x^{2}}}\,{\sqrt {\frac {1}{r^{2}-x^{2}}}}\,dx}
=
2
π π -->
∫ ∫ -->
− − -->
r
r
r
d
x
{\displaystyle =2\pi \int _{-r}^{r}r\,dx}
=
4
π π -->
r
2
{\displaystyle =4\pi r^{2}\,}
参见
参考文献
Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 931-937, 1985.
Goldstein, H. Classical Mechanics, 2nd ed. Reading, MA: Addison-Wesley, p. 42, 1980.
Gray, A. "Surfaces of Revolution." Ch. 20 in Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 457-480, 1997.
Hilbert, D. and Cohn-Vossen, S. "The Cylinder, the Cone, the Conic Sections, and Their Surfaces of Revolution." §2 in Geometry and the Imagination. New York: Chelsea, pp. 7-11, 1999.
Isenberg, C. The Science of Soap Films and Soap Bubbles. New York: Dover, pp. 79-80 and Appendix III, 1992.