我们知道 A(r) = #·r²,其中 # 是某个固定数字。
大圆半径 = r + t,面积 = A(r+t) = #·(r+t)²
薄圆环面积 = 大圆 − 小圆:
展开 (r+t)²(零跳步):
代回去,r² 被抵消:
把圆环展开,就像把纸条剪开拉直。
当 t 非常非常小的时候,弯曲几乎看不见:
这个长方形的:
长方形面积 = 长 × 宽:
(注意:同一个 # 同时出现在面积和周长里!)
左边算出来的圆环面积,和右边算出来的,必须是同一个数:
两边同时除以 t(t ≠ 0):
让 t 无限趋近于 0(把圆环做得无限薄):
这没有告诉我们 # 是多少,但它证明了:同一个 # 必须同时满足面积公式和周长公式。
方法一:把实心金块称重,再把中间挖掉的圆柱金块称重,两者相减 = 戒指重量。
方法二:把戒指剪断,拉成一根直的金条,量长度 × 截面面积 = 戒指重量。
两种方法称的是同一个戒指,所以结果必须一样。
同理,两种方法算的是同一个圆环,所以 #·(2rt + t²) 必须等于 #·2r·t。
这不是我们"假设"的,是几何自己逼出来的。
Step 1:我们不知道圆的面积公式里的常数是多少,但我们可以写一个放弃数字 #:A = #·r²。我们虽然不知道 #,但知道面积和 r² 成正比。
Step 2:画两个同心圆,中间夹一个薄圆环。这个圆环的面积可以用两种完全不同的方法来算。
Step 3:第一种方法:用面积公式直接减。Adonut = #·(r+t)² − #·r²。展开 (r+t)² = r² + 2rt + t²,r² 抵消,得到 #·(2rt + t²)。
Step 4:第二种方法:用无限放大镜。把圆环放大到无限近,弯曲消失,它看起来就是一个长方形。长 = 绕内圈一圈 = #·2r,宽 = t,面积 = #·2r·t。
Step 5:两种方式算的是同一个圆环,所以必须相等:#·(2rt + t²) = #·2r·t。两边除以 t,再让 t→0,得到 #·2r = #·2r ✓。
Step 6:结论:同一个 # 同时出现在面积公式 A = #·r² 和周长公式 C = #·2r = #·d 中。这不是巧合,是必然真理!
你很少在教科书里听到的东西(却是最重要的):