然后再乘以刚才跳过的16π,可得圆环体的体积为
圆环体看上去像是两个圆相乘形成的图形,在其体积计算中出现π的2次方确实非常有趣。在数学中,圆环体被定义为“圆和圆的笛卡儿积(准确来说,是圆环和圆周的笛卡儿积)”。说圆环体是两个圆相乘的图形,可谓恰如其文字之意——不,是恰如数字之意。
像小学生那样求圆环体体积
前文说到的求解方法可以说是大人的解题方法。但是,这种方法很难向连勾股定理和积分符号都不知道的小学生解释。
不用前文的方法,该怎样分割呢?适合向小学生讲解的方法是“分割成细方格来求圆的面积”。但是,逐一数方格数量会相当花费时间,所以我们来试一试新的方法。
为了转换思路,这里我先介绍一下“把圆分成扇形求圆面积的方法”。我们的目标是求圆环体的体积,但这一目标可以通过使用与“把圆分成扇形求圆面积的方法”类似的思路来实现。圆环体是立体图形,所以很难整体去想象,不过若是圆的话便容易形象化了。
如图49所示,将圆分成细小的扇形,然后让扇形上下交叉相互交错排列。由此,我们便得到了一个“平行四边形”。
当然,扇形的弧是弯曲的,所以形成的平行四边形也有些弯曲。但是,如果逐渐分割出更加细小的扇形,就几乎看不见弯曲的弧了,到了最后我们差不多就可以将弧看作直线段。通过无限分割出更小的扇形,平行四边形的精确度会大幅提升。这时,平行四边形的高就会恰好等于圆的半径,底边则等于圆周长的一半(π×半径)。也就是说,平行四边形的面积接近等于“π×半径×半径”。因此,圆的面积也就等于“半径×半径×π”。
以上内容即为推导圆面积公式的“小学生式”方法。
把甜甜圈变成蛇的方法
结合前文推导圆面积的“小学生式”方法,下面我们开始研究圆环体的体积。依然是用相同的思路,想办法分割圆环体。这次我们不水平分割了,来试试从垂直方向分割(图50)。
垂直分割圆环体后,所得的截面正好是小小的圆。
为了进一步研究截面的圆,我们先将其8等分。然后使用圆分割后的扇形交错排列的技巧,相互交错排列圆环体。
这样一来,圆环体就会被重构成弯弯曲曲的蛇形。