这是大三我在做数学物理方程作业时发现的,该结论可使那道证明题变得很简便,可惜考试时我没把该结论证明一遍,太懒了被扣分。

只要两个平行平面都切到球,则可以找到该球的一条直径,使得它和两平行平面垂直。因此命题也可表达成:对于球的任意一条直径,在其上面任取两点,过这两点分别作两个和该直径垂直的平面,则两平面切得的球表面积(不包括切平面面积)和这两点间的距离成线性正比。

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这个比例是2πr,r是球的半径。即图中距离x的两点的垂直平面切得的球表面积是2πr*x,只要两点落在直径上,无论两点距离多远,无论两点在什么位置上。

证明:

先求球冠的表面积,如图:

2009-12-15 14-38-48.png

图中的红点是球心,x是球冠的高,θ是夹角。如图,对于角θ,其微分Δθ对应的弧长是r*Δθ,此时该切面的周长为2π*r*sinθ,则这一小圈表面积为r*Δθ*2π*r*sinθ,则球冠的表面积就是角θ从θ角度到0角度的积分。即:

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现在需要把θ换成x。首先CodeCogsEqn.gif。当θ从θ积分到0时,x从x积分到0,dθ和dx的关系推导如下:

2009-12-15 15-17-15.png

将上面的两条等式替换到S的表达式后,记得dx是从x到0,则有最后结论2009-12-15 15-20-21.png

利用该结论可以证明最终命题。记直径上的两点为x1和x2,到圆冠顶部的距离分别为x1和x2,则球面面积减去这两个圆冠的面积 = 两平面切得的球表面积。

两平面切得的球表面积 = 4πr^2 - 2πr*x1-2πr*x2 = 2πr*(2r-x1-x2),而(2r-x1-x2)就是两点间距离。证毕。