教堂顶部曲面面积的计算方法

教堂顶部曲面面积的计算方法一．实验目的本试验主要涉及微积分，通过试验将复习曲面面积的计算、重积分和Taylor展开等知识；另外将介绍重积分的数值计算法和取得函数近似解析表达式的摄动方法。二．实验内容1.某个阿拉伯国家有一座著名的伊斯兰教堂，它以中央大厅的金色巨大拱形圆顶名震遐迩。因年久失修，国王下令将教堂顶部重新贴金箔装饰。据档案记载，大厅的顶部形状为半球面，其半径为30m。考虑到可能的损耗和其他技术因素，实际用量将会比教堂顶部面积多1.5％.据此，国王的财政大臣拨出了可制造5750m有规定厚度金箔的黄金。建筑商人哈桑略通数学，他计算了一下，觉得黄金会有盈余。于是，他以较低的承包价得到了这项装饰工程，但在施工前的测量中，工程师发现教堂顶部实际上并非是一个精确的半球面而是半椭圆球面，其半立轴恰是30m，而半长轴和半短轴分别是30.6m和29.6m。取椭圆中心为坐标原点建立直角坐标系，则教堂顶部半椭圆球面的方程可写为其中R=30，a=30.6，b=29.6，而其表面积为这里积分区域D为通过简单的计算容易得到引进变量代换则教堂顶部曲面面积为（1）利用数值积分方法，用梯形法和simpson法两种近似格式计算教堂顶部曲面面积；（2）利用摄动的方法近似计算教堂顶部曲面面积；（3）试用数学软件直接计算教堂顶部曲面面积。222212.1xyzRabdxdyzzsDyx22112222byax222242242222111byaxbyRaxRzzyxsin,cosbryarxabrdrrbarRdSx201022222221sincos12.在俄国沙皇的宫廷宝藏中，有许多复活节蛋，它们大都以金银制作，装饰着或者内藏着各种钻石。其中有一中较大的金“蛋”，“蛋”壳的外层表面是一个椭球面，其半长轴、半短轴和半立轴分别为8cm、5.2m和5cm。“蛋”壳的厚度为0.24cm，重量是1680g。检验这只复活节蛋的壳是否用纯金制作的。（金的密度是19.2g/cm）3.建筑商人哈桑在对另一座伊斯兰建筑物顶部表面进行装饰时，他碰到的是一个类似半球面、然而又具有一些其他变化规律的曲面，哈桑这次仍要对该建筑物的顶部贴以金箔，我们可以确切地用球坐标表示该曲面方程，为其中R＝30（m），如果由技术和损耗的因素将使用料比实际面积多1.6%，那么装饰这个顶部至少需要多少金箔?（1）利用数学软件直接计算建筑物顶部表面积，进而计算所需金箔量；（2）用数值方法近似计算建筑物顶部表面积，进而计算所需金箔量；（3）将上述两结果进行比较。三．实验方法1.实验理论（1）数值积分方法对于二重积分，可以如同一元函数定积分那样，将区域划分为小块，然后在每个小区域上对被积函数作近似简化求积，再把所得的值求和即可。考虑矩形区域D上的二重积分，将D划分mn个相等的小矩形，s和t分别是s和t方向的分点，那么小矩形上的积分可写为记则若对这两个单积分都用梯形法，就有而这样便可求得在D上的积分I的近似值当将分点增加一倍使得而记sin(10.1sin6)cos,sin(10.1sin6)sin,02cos02xRyRzRiijjssttdstsfdt11,iissidstsft1,jjttiijdttI1tsftsfktiii,,21jijijijiijtsftsftsftsfkhI,,,,41111,,22cdkhmn,(1,2,,2;1,2,,2)ijsiktjhimjn11(2.9)mnijijII那么对的两次积分都用Simpson法，就得到从而于是有积分I的近似值为（2）摄动方法简单地说，摄动方法就是对解析式中的小参数进行展开，从而求得近似解析解的方法，应用于积分计算，常常是采取将被积函数（或其部分）展开的方法，通过一个简单例子来说明这方法。对于计算利用Taylor公式，关于参数展开，有余项的写法考虑到了我们称级数为函数的渐近级数，通常应用渐进级数的有限项来近似函数。例如，在这里把前n+1项替换代入积分式那么由于可得当时，用上式前5项计算的误差不超过0.01.1111(,)(1,3,,21;1,3,,21)jijitsijtsIdtfstdsimjnLL1111(,)[(,)4(,)(,)]3iisiiiskfstdsfstfstfst111111111111{(,)(,)(,)9(,)4[(,)(,)(,)(,)]16(,)}(2.10)ijijijijijijijijijijkhIfstfstfstfstfstfstfstfstfst212111,,(2.11)mnijijIIij取奇数(0,1),220()(2.14)1sindI1222222232324241(1sin)1sin1131351(sin)(sin)(sin)222!23!1357(21)!!(sin)(1)(sin)24!2!()nnnnnnosin120(21)!!(1)(sin)2!nnnnnn211sin211sin220()(2.14)1sindI220(21)!!sin2(2)!!nndn223419251225[(21)!!]()1(2.15)2464256163842!(2)!!nnnInn0.6()I2数学软件实现（1）教堂顶部面积问题a.利用数值积分方法，用梯形法和simpson法两种近似格式计算教堂顶部曲面面积将方程改写为梯形法核心程序段如下f=sqrt(t.^2*ones(size(t))'+R^2*(1-t.^2)*((cos(e)/a).^2+(sin(e)/b).^2));forj=2:m+1fori=2:m+1Iij(i,j)=k*h/4*(f(i-1,j-1)+f(i,j-1)+f(i-1,j)+f(i,j));endendI=sum(sum(Iij));S=a*b*I;simpson法核心程序段如下f=sqrt(t.^2*ones(size(t))'+R^2*(1-t.^2)*((cos(e)/a).^2+(sin(e)/b).^2));forj=2:2:2*mfori=2:2:2*mIij(i,j)=k*h/9*(f(i-1,j-1)+f(i+1,j-1)+f(i-1,j+1)+f(i+1,j+1)...+4*(f(i,j-1)+f(i-1,j)+f(i+1,j)+f(i,j+1))...+16*f(i,j));endendI=sum(sum(Iij));S=a*b*I;b.利用摄动的方法近似计算教堂顶部曲面面积引进小参数那么面积表达式成为应用摄动方法，要对函数关于小参数α和β展开。在这种双参数的情况，我们可以直接运用二元函数的Taylor公式，但也可以借助一元函数的Taylor公式，即先将函数中的看作一个整体（一项）进行展开，然后再作进一步的处理，从而可得22212222200cossin(1)()(2.13)SabtRtdtdab22221,1(2.16)RRab222221200222221200(1)cos(1)sin111cossin(2.17)1rrSdabrdrrrrdabrdrr2222(,)1cossingrr因为取g前有限项积分，可近似求得结果，下为求解析解核心程序段：symsreabABy1=int(r/sqrt(1-r^2),0,1)g1=a*b*int(y1,e,0,2*pi)y2=int((A*cos(e)^2+B*sin(e)^2)*r^3/(2*sqrt(1-r^2)),r,0,1)g2=a*b*int(y2,e,0,2*pi)y3=int((A*cos(e)^2+B*sin(e)^2)^2*r^5/(8*sqrt(1-r^2)),r,0,1)g3=a*b*int(y3,e,0,2*pi)s=g1+g2-g3下为求数值解的核心程序段：a=30.6;b=29.6;A=-0.03883;B=0.02721;symsrey1=int(r/sqrt(1-r^2),0,1)g1=a*b*int(y1,e,0,2*pi)y2=int((A*cos(e)^2+B*sin(e)^2)*r^3/(2*sqrt(1-r^2)),r,0,1)g2=a*b*int(y2,e,0,2*pi)y3=int((A*cos(e)^2+B*sin(e)^2)^2*r^5/(8*sqrt(1-r^2)),r,0,1)g3=a*b*int(y3,e,0,2*pi)S=double(g1+g2-g3);c.用数学软件直接计算教堂顶部曲面面积程序代码如下：functiony=ep2_f0(r,e)a=30.6;b=29.6;R=30;y=a*b*sqrt(r.^2+R^2*(1-r.^2)*((cos(e)/a)^2+(sin(e)/b)^2));2222222222222311(,)1(cossin)(cossin)22!43(cossin)(2.18)3!8grrrrrr0.03883,0.02721s4=dblquad('ep2_f0',0,1,0,2*pi);（2）检验复活节蛋的壳是否用纯金制作的计算出蛋的面积，进而得体积，用质量比上求得体积得到蛋的密度，与黄金密度相比较就可知蛋是否为纯金制作。利用数值积分方法近似求解，取m=18,求得体积L,核心程序如下：f=sqrt(t.^2*ones(size(t))'+R^2*(1-t.^2)*((cos(e)/a).^2+(sin(e)/b).^2));forj=2:2:2*mfori=2:2:2*mIij(i,j)=k*h/9*(f(i-1,j-1)+f(i+1,j-1)+f(i-1,j+1)+f(i+1,j+1)...+4*(f(i,j-1)+f(i-1,j)+f(i+1,j)+f(i,j+1))...+16*f(i,j));endendI=sum(sum(Iij));S=2*a*b*I;L=0.24*S;（3）伊斯兰建筑物顶部表面积a.利用数学软件直接计算建筑物顶部表面积，进而计算所需金箔量；利用球坐标方程改写成积分中的函数f（u，v），程序如下：x=R*sin(v)*cos(u)*(1+0.1*sin(6*u));y=R*sin(v)*sin(u)*(1+0.1*sin(6*u));z=R*cos(v);E=simple(diff(x,u)^2+diff(y,u)^2+diff(z,u)^2);G=simple(diff(x,v)^2+diff(y,v)^2+diff(z,v)^2);F=simple(diff(x,u)*diff(x,v)+diff(y,u)*diff(y,v)+diff(z,u)*diff(z,v));EG_F2=simple(E*G-F^2)f_uv=sqrt(EG_F2)利用int命令将f（u，v）在相应区域积分。程序如下：f_u=int(f_uv,v,0,pi/2)f=int(f_u,u,0,pi/6)S=12*double(f)b.用数值方法近似计算建筑物顶部表面积，进而计算所需金箔量；m=15;R=30;k=pi/6/(2*m);h=pi/2/(2*m);u=0:k:pi/6;v=(0:h:pi/2)';forj=1:2*m+1fori=1:2*m+1f(i,j)=sqrt(1/100*R^2