椭圆面积公式的推导

请求出椭圆的面积。 该面积可通过行列式来求出,下面一步步来分析。

        (1)先说思路。是对称中心在原点,焦点在轴上,半长轴和半短轴为的椭圆:

在高中的时候,老师可能会带着同学们像下面这样来推导椭圆的面积,说这个椭圆可看作由单位圆拉伸得到的,具体过程是,以原点为圆心作一个单位圆:

将该单位圆沿轴拉伸倍,沿轴拉伸倍就可以得到这个椭圆:

如果把单位圆看成是若干个矩形组成的:

那么在圆变成椭圆的过程中,所有的矩形的两边都分别被拉伸了倍和倍,所以每个矩形的面积都是原来的倍:

所以最终椭圆的面积是单位圆的面积的倍,从而得出椭圆面积为

上述方法虽然很直观,但缺乏严谨性。比如肉眼可见的,左边部分的矩形并没填满圆,右边部分的矩形又超过了圆:

其实这个思路大体上是没有问题的,只是需要更严格的数学工具。比如在线性代数中,从单位圆变换到椭圆可找到合适的来完成,椭圆和单位圆的伸缩比例就是,知道了伸缩比例就可以求出椭圆的面积:

下面就是具体的解题细节。

        (2)首先要将单位圆和椭圆通过来表示,这样才能通过来将单位圆变换到椭圆。我们知道单位圆的参数方程为:

根据,上述参数方程可改写为如下形式:

改写后的就是单位圆,下面解释下为什么这么说。当为定值时,中的一个点。比如

随着变化到,对应的点会不断变化,最终得到了单位圆:

同样的道理,根据椭圆的参数方程,就可以将该椭圆通过来表示:

这样就将单位圆和椭圆都通过来表示了:

        (3)通过求出椭圆的面积。单位圆沿轴拉伸倍,沿轴拉伸倍就可以得到题目中的椭圆,这两次拉伸可分别通过来完成:

所以单位圆到椭圆的变换矩阵为(注意顺序):

也就是说有:

所以椭圆和单位圆的伸缩比例为,因为,所以该行列式也就是面积之比:

因为单位圆面积为,所以最终可推出:

在我们的《单变量微积分》课程中,介绍了,其结果和上面一致,同学们可以参考以及相互印证。

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