圆面积公式是已知圆的半径时,求圆的面积所使用的公式。圆的面积=圆周率×半径的平方。用字母可以表示为S=πR2,其中π为
圆周率,是一个常数,约等于3.141592654;r为所求面积的圆的半径。公式也可改写为S=1/4*πd2,其中d为该圆的直径。
公式形式
或者
发展简史
,约等于3.1695。
约公元前四世纪,古希腊数学家欧多克斯发现,圆的面积与直径的平方成正比,但是并没有给出比例系数。同时,他也发明了“穷竭法”,即构造内接多边形序列,并使这些多边形的面积收敛于所求图形的面积的方法。
公元三世纪,魏晋时期数学家刘徽也提出了正确的圆面积公式“半周半径相乘,得积步”。他还采用“割圆术”,通过切割圆并外接正多边形的方法,求出圆面积的近似值,并以此将圆周率计算到小数点后四位,即3.1416。
公式推导
切割重排法
当切割的份数越多,每个小扇形越接近于一个三角形,形成的图形就越接近于一个长方形。
长方形的长近似于周长的一半,宽近似于半径,而长方形面积=长×宽。又因为周长C=2πr,长方形的长为πr。长方形与原来的圆形面积想等,所以S圆=S长方形。
半圆积分法
,求出上半圆的面积再乘以二就是圆的面积。
作代换,令,于是。再由上半圆的对称性,有:
极坐标法
令,将直角坐标系转化为极坐标系进行积分。
相关公式
半圆面积:
圆环面积:
扇形面积:
:若圆心角采用弧度单位,圆心角为α,。其中l为扇形的弧长,弧长=半径×圆心角弧度,即
球面积
球体积
公式拓展
k维球
,设k维球体的体积和面积为。
之间的关系。
。二维球体积(圆面积)等于二维椎体体积(三角形面积)之和,则有:
。三维球体积等于三维椎体体积之和,则有:
并且 分别与自身线度的 (k-1) 次方成正比。又 相似, 线度之比为 h: R , 于是有
即得
把k维球分解为无穷个小(k-1)维锥体,即得之间的关系为:
的递归关系以及的递归关系
,圆半径为的薄圆板。因,所以。薄圆板的周长和面积分别为二维球的面积和体积。对薄板进行积分,得到:
k球的面积和体积分别与成正比。可以记作:
代入(2)、(3)式,可得
结合上面两个式子,可以得到
结合(1)式,得到、
取k=2N+1,由(6)得到
也就是
同理,可以写得
对与 , 一维球是一个线段, 两个端点是它的面, 面积 . , 对于 , 求面积 。代入公式 (7) 至 (10), 可以得到最终表达式:
,也就是圆面积公式。
研究进展
无穷级数法
蒙特卡洛法
。在正方形内随机生成N个点,统计落在圆内的点数M。由概率的定义,当N逐渐增大时,收敛于,所以N很大时,可通过公式
近似计算圆周率。