(1)先说思路。
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
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
所以最终椭圆的面积是单位圆的面积的
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
下面就是具体的解题细节。
(2)首先要将单位圆和椭圆通过
根据
改写后的
随着
同样的道理,根据椭圆
这样就将单位圆和椭圆都通过
(3)通过
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
因为单位圆面积为
在我们的《单变量微积分》课程中,介绍了