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圓柱-球體相交


圓柱體球體相交形成的曲線被稱為維維亞尼曲線

CylinderSpherePOV
CylinderSphereMathematica

在一個1825年的算額問題中,提出了求半徑為r且與半徑為R球體內切的圓柱體側面表面積的問題。

CylinderSphereCurve
CylinderSphereSurface

確定解決方案的最簡單方法是解以下聯立方程

 x^2+y^2+z^2=R^2
(1)
 y^2+[z-(R-r)]^2=r^2
(2)

求解xy,

x=+/-sqrt(2(R-r)(R-z))
(3)
y=+/-sqrt((R-z)(2r-R+z)).
(4)

這些給出了在這種情況下(左圖)維維亞尼曲線引數方程。然後可以透過構造一系列彎曲的線段(右圖)找到表面積。圓柱體表面在高度為z處的弧長元素由下式給出

ds=sqrt(1+((dy)/(dz))^2)dz
(5)
=r/(sqrt((R-z)(2r-R+z)))dz.
(6)

然後,表面積的四分之一為

S_(1/4)=intx(z)ds
(7)
=int_(R-2r)^Rsqrt(2(R-r)(R-z))(rdz)/(sqrt((R-z)(2r-R-z)))
(8)
=int_(R-2r)^Rrsqrt((2(R-r))/(2r-R+z))dz,
(9)

其中需要小心處理下限,

S_(1/4)=lim_(r^'->r^-)4r[sqrt(r(R-r))-sqrt((R-r)(r-r^'))]
(10)
=4r^(3/2)sqrt(R-r).
(11)

表面積

 S=4S_(1/4)=16r^(3/2)sqrt(R-r),
(12)

Rothman (1998) 透過更迂迴的幾何論證獲得的結果。(請注意,Rothman 原文發表的答案不正確;更正後的答案已釋出在文章的 Internet 版本上。)


另請參閱

圓柱體, 球體, 球體-球體相交, 維維亞尼曲線

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參考文獻

Rothman, T. "日本寺廟幾何學。" 科學美國人 278, 85-91, 1998 年 5 月。

在 上被引用

圓柱-球體相交

引用為

Weisstein, Eric W. "圓柱-球體相交。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Cylinder-SphereIntersection.html

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