问题

圆锥体内切球公式是怎么推导的?

回答
好的,我们来一起推导圆锥体内切球的公式。这个过程其实并不复杂,主要是利用了相似三角形和一些基本的几何关系。

想象一下,我们有一个圆锥,然后我们往里面放一个最大的球,这个球恰好与圆锥的底部(圆)和侧面(斜面)都接触,我们称之为圆锥的内切球。我们要做的就是找出这个球的半径和圆锥的尺寸之间的关系。

1. 绘制一个“救命”的截面图

最直观的方法就是做个截面。我们想象一下,如果我们从圆锥的顶点垂直向下,穿过圆锥的轴线,切开它。你会看到一个等腰三角形(这个三角形的两条腰就是圆锥的母线,底边就是圆锥底面的直径)。而我们刚才说的内切球,在同一个截面里,就变成了一个圆,这个圆恰好与等腰三角形的三条边都相切。

所以,现在我们的问题就转化成了:在一个等腰三角形中,求其内切圆的半径。

2. 设定一些基本参数

为了方便推导,我们先给圆锥和内切球设定一些关键的尺寸:

圆锥的高 (H): 圆锥顶点到底面圆心的垂直距离。
圆锥底面半径 (R): 圆锥底面圆的半径。
圆锥的母线长 (L): 从圆锥顶点到任意一个底面圆周上的点的直线距离。
内切球的半径 (r): 我们要求的目标。

我们知道,在圆锥的截面(等腰三角形)中,高、底面半径和母线长构成了一个直角三角形。根据勾股定理,它们的关系是: $L^2 = H^2 + R^2$ 。

3. 利用三角形的相似性

在刚才我们画的等腰三角形截面里,我们找到了内切圆的圆心。这个圆心一定在等腰三角形的角平分线上(因为内切圆的圆心是所有内角平分线的交点)。同时,它也在圆锥的轴线上(也就是等腰三角形的高线上)。

关键来了:我们来看一下,从内切圆圆心到等腰三角形底边(圆锥底面)的垂直距离,是不是就是内切球的半径 `r`?是的,因为球的最低点恰好接触圆锥的底面。

现在,我们把内切圆的圆心连接到等腰三角形的顶点(圆锥的顶点)和侧边(圆锥的母线)。从内切圆圆心向母线作一条垂直线,这条垂直线的长度也是球的半径 `r`,因为它表示球的侧面与圆锥的侧面相切。

我们现在可以找到两个相似的直角三角形:

大直角三角形: 这是圆锥的截面去掉高线后形成的一个直角三角形,它的三边分别是圆锥的高 `H`、底面半径 `R` 和母线长 `L`。
小直角三角形: 这个三角形是由内切圆的圆心、它到圆锥顶点的连线(一部分),以及从圆心到母线的垂直线(半径 `r`)构成。

这两个三角形的相似关系是:

大三角形: 高 `H`,底 `R`,斜边 `L`。
小三角形: 假设我们从圆锥顶点到底部底边(半径 `R`)的距离为 `H`,那么小三角形的“高”是 `H r` (圆锥的高减去球的半径),它的“底”我们不知道,但它的“斜边”是圆锥的母线 `L` 减去球的半径 `r`。

等等,这里我们直接用相似三角形关系会更直接。让我们把图再细化一下。

更清晰的思路:利用等腰三角形的面积

我们回到等腰三角形的截面。等腰三角形的底是 `2R`,高是 `H`,腰是 `L`。

内切圆的半径 `r` 和三角形面积也有一个非常重要的关系:

三角形的面积 = 内切圆半径 × 半周长

三角形的面积: $frac{1}{2} imes ext{底} imes ext{高} = frac{1}{2} imes 2R imes H = RH$
三角形的半周长: $frac{ ext{周长}}{2} = frac{L + L + 2R}{2} = L + R$

所以,我们可以得到一个等式:

$RH = r imes (L + R)$

从这个式子,我们就可以很容易地推导出内切球半径 `r` 的公式:

$r = frac{RH}{L + R}$

别忘了,我们还有 $L^2 = H^2 + R^2$ 。

我们可以把 `L` 用 `H` 和 `R` 来表示,代入到上面的公式中:

$r = frac{RH}{sqrt{H^2 + R^2} + R}$

另一种角度:通过相似三角形的比例关系

让我们回到相似三角形的思路,这次我们换个切入点,更直接地利用相似性。

在等腰三角形的截面中,我们画出高线。这条高线将等腰三角形分成两个全等的直角三角形。我们只看其中一个直角三角形,它的三边是 `R`(底)、`H`(高)、`L`(斜边)。

内切圆的圆心在这个直角三角形的锐角(靠近底边的那个角)的角平分线上。

我们连接内切圆的圆心到圆锥的顶点,这条线会穿过内切圆。同时,内切圆的圆心到这个直角三角形的底边(半径 `R`)的垂直距离就是 `r`。

我们再考虑从圆锥的顶点作一条线到内切圆的圆心。这条线,加上内切圆圆心到母线(`L`)的垂直距离(`r`),以及从圆锥顶点到母线的那一部分(`Lr`),构成了一个新的小直角三角形。

看,我们找到了两个相似的直角三角形:

1. 大直角三角形: 边长为 `R`, `H`, `L`。
2. 小直角三角形: 这个小三角形的顶点是圆锥的顶点。它的“高”是 `Hr` (圆锥的高减去球的半径),它的“斜边”是 `Lr` (圆锥的母线减去球的半径)。

请注意: 这里我们的小直角三角形的“高”和“斜边”的关系是基于内切圆的圆心位于等腰三角形的顶点和底边中点的连线上。

这两个直角三角形是相似的。为什么相似?
它们都有一个直角。
它们共用一个锐角(圆锥顶点的那个角)。

所以,根据 AA 相似,这两个直角三角形相似。

根据相似三角形的边长比例关系,我们可以写出:

$frac{ ext{小直角三角形的“高”}}{ ext{大直角三角形的“高”}} = frac{ ext{小直角三角形的“斜边”}}{ ext{大直角三角形的“斜边”}}$

$frac{H r}{H} = frac{L r}{L}$

现在,我们来解这个方程:

$L(H r) = H(L r)$
$LH Lr = HL Hr$
$LH HL = Lr Hr$
$0 = Lr Hr$

等等,这里好像算错了。让我们仔细检查一下那个小直角三角形的边。

重新审视相似三角形:

让我们再画一个示意图。
在等腰三角形的截面中,顶点是 A,底边中点是 O,底边左右两点是 B 和 C。AB = AC = L,AO = H,OB = OC = R。
内切圆的圆心是 I,它在 AO 上。内切圆与 BC 相切于 O,所以 IO = r。
内切圆与 AC 相切于点 D。ID 垂直于 AC,ID = r。

现在我们看直角三角形 ABC 的一部分:
大直角三角形: △AOB,三边是 `H` (AO),`R` (OB),`L` (AB)。
小直角三角形: △AID,其中 AI 是圆锥顶点到圆心 I 的距离。ID = r (半径)。AD 是 AC 的一部分。

△AOB 和 △AID 是相似的。
它们都有直角(∠AOB = ∠AID = 90°)。
它们共用∠OAB (即∠IAC)。

所以,根据 AA 相似,△AOB ~ △AID。

由此可以得到边长比例:

$frac{ID}{OB} = frac{AI}{AB}$

我们知道:
ID = r
OB = R
AB = L

那么 AI 是什么呢?AI 是圆锥顶点到内切圆圆心的距离。我们知道 IO = r,AO = H,所以 AI = AO IO = H r。

代入比例关系:

$frac{r}{R} = frac{H r}{L}$

现在我们来解这个方程,目标是求 `r`:

$rL = R(H r)$
$rL = RH Rr$
$rL + Rr = RH$
$r(L + R) = RH$

$r = frac{RH}{L + R}$

这就是我们之前通过面积法得到的同一个公式!

最终公式整理

结合勾股定理 $L = sqrt{H^2 + R^2}$ ,内切球半径 `r` 的公式可以表示为:

第一种形式 (使用母线长 L):
$r = frac{RH}{L + R}$

第二种形式 (只用高 H 和底面半径 R):
$r = frac{RH}{sqrt{H^2 + R^2} + R}$

理解这个公式的意义

半径 R 越大,或者高 H 越大,内切球的半径 r 也会越大。 这是符合直觉的,更大的圆锥能容纳更大的球。
半径 R 越小,或者高 H 越小,内切球的半径 r 也会越小。
母线长 L 实际上是约束了 R 和 H 的关系。 当 R 增大时,L 也会增大,分母 (L+R) 增大,可能会抵消 R 增大的影响,但整体来看,H 和 R 是影响 r 的主要因素。

举个例子

如果我们有一个高 H=4,底面半径 R=3 的圆锥。
那么母线长 L = $sqrt{4^2 + 3^2} = sqrt{16 + 9} = sqrt{25} = 5$。

使用公式:
$r = frac{RH}{L + R} = frac{3 imes 4}{5 + 3} = frac{12}{8} = 1.5$

所以,这个圆锥内切球的半径是 1.5。

总结一下推导的关键步骤:

1. 截面化: 将圆锥及其内切球转化为等腰三角形及其内切圆。
2. 建立关系: 利用等腰三角形的面积和内切圆半径的关系,或者利用相似三角形的边长比例关系。
3. 代入参数: 将圆锥的尺寸(高 H、底面半径 R、母线长 L)代入关系式。
4. 求解半径: 解出内切球半径 `r` 的表达式。

这两种方法殊途同归,都得到了同样简洁而有用的公式。希望这个详细的推导过程能帮到你!

网友意见

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其实直接根据公式就能看出来的

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