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截面 (幾何)

祖暅原理說明若兩個固體對應的截面積相等,則其體積相等。

一物體以特定角度觀看時的截面積(

A

{\displaystyle A'}

)是該物體在此角度下正交投影的總面積。例如一高為h,半徑為r的圓柱,若沿著其中心軸,其截面積

A

=

π

r

2

{\displaystyle A'=\pi r^{2}}

,若沿著任一個和中心軸垂直的線,其截面積

A

=

2

r

h

{\displaystyle A'=2rh}

。一個半徑為r的球體,在任意角度下的截面積均為

A

=

π

r

2

{\displaystyle A'=\pi r^{2}}

。一物體的截面積可由下式的曲面積分求得:

A

=

t

o

p

d

A

r

^

,

{\displaystyle A'=\iint \limits _{\mathrm {top} }d\mathbf {A} \cdot \mathbf {\hat {r}} ,}

其中

r

^

{\displaystyle \mathbf {\hat {r}} }

為沿著指定方向的單位向量

d

A

{\displaystyle d\mathbf {A} }

是單位表面積向量,向量方向為往外的法向量。

而且上述積分只針對物體最上方的表面,也就是以觀者角度可見的那一面。對於一個凸体的物體,從觀者角度到物體的射線都會和物體的表面交會二次。因此上述積分可以以取絕對值的方式,針對整個表面計算,再除以2得到截面積如下:

A

=

1

2

A

|

d

A

r

^

|

{\displaystyle A'={\frac {1}{2}}\iint \limits _{A}|d\mathbf {A} \cdot \mathbf {\hat {r}} |}