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阿基米德螺线

在同样献给多西修斯的《论螺线》中,阿基米德研究了一种由运动定义的新曲线。 如果平面上一条直线绕它的一个固定端点匀速旋转,并回到出发的位置,同时有一点从固定端点出发沿这条直线匀速运动,那么这个点就在平面上描出一条螺线。 — 阿基米德,《论螺线》,定义 方程 在极坐标中,点到中心的距离 $r$ 与直线转过的角 $\theta$ 成同样比例增长: $$r = a\,\theta.$$每转一整圈,半径增加同样的量 $2\pi a$,所以相邻各圈间距相等,就像黑胶唱片的纹路,或者盘在地上的水管。 圆的三分之一 阿基米德计算了半径在第一圈中扫过的面积。方法仍是穷竭法:把一圈分成许多窄的扇形,一些在曲线内,一些在曲线外,再把它们加起来。用现代记号,角为 $d\theta$、半径为 $r$ 的扇形面积为 $\frac{1}{2}r^2\,d\theta$,于是 $$A = \int_0^{2\pi} \frac{1}{2}(a\theta)^2\,d\theta = \frac{a^2}{2}\cdot\frac{(2\pi)^3}{3} = \frac{4}{3}\pi^3 a^2.$$以第一圈末端的半径 $R = 2\pi a$ 为半径的圆,面积为 $\pi R^2 = 4\pi^3 a^2$。螺线的面积恰好是它的三分之一: $$\frac{A}{\pi R^2} = \frac{\frac{4}{3}\pi^3 a^2}{4\pi^3 a^2} = \frac{1}{3}.$$为了得到这个结果,阿基米德需要一个关于平方和 $1^2 + 2^2 + \cdots + n^2$ 的公式,它相当于说这个和介于 $\frac{n^3}{3}$ 与 $\frac{(n+1)^3}{3}$ 之间。在微积分中,正是这个和给出了 $\int x^2\,dx = \frac{x^3}{3}$。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。