正方形内接圆形扇形组合阴影面积:已知正方形面积为20平方米,求阴影面积
解:基本思路:
连接AE, AF, AO, OE, OF. 由 S扇形OEF+S△AOE+S△AOF-S扇形AEF 得阴影部分Y的面积。
解题过程:
由题目已知条件,正方形面积为20平方米。
易得:AE=AB=2√5, OE=1/2AB=√5, AO=√2OE=√10
根据海伦公式: S=√[p*(p-a)(p-b)(p-c)]
(其中 S为△的面积,a,b,c为三角形的三条边,p=(a+b+c)/2,)
所以在△AOE中,p=(2√5+√5+√10)/2=(3√5+√10)/2
S△AOE=5√7/4
同理 S△AOF= S△AOE=5√7/4
根据 余弦定理 cos(C)=(a^2+b^2-c^2)/(2ab)
得 : cos(∠AOE)=(AO^2+ OE^2 - AE^2)/(2AO*OE)
=(10+5-20)/(2*√10*√5)
= -√2/4
因为cos(∠EOF)=cos(∠EOA+∠FOA)
=cos(2∠EOA)
=2cos^2(∠EOA) -1 【倍角函数】
=2*(-√2/4)^2 - 1
=-3/4
所以 ∠EOF=arccos(-3/4)
所以根据扇形面积公式:S=(n/360)*πr^2
S扇形OEF=[arccos(-3/4) / 360]*π*OE^2
=6.04 (π取3.14)
同理得 S扇形AEF=[arccos(9/16) / 360]*π*AE^2
=9.72896 (π取3.14)
所以 S阴影部分Y= S△AOF+S△AOE+S扇形OEF-S扇形AEF
=5√7/4 + 5√7/4 + 6.04 - 9.72896
≈ 2.9254(平方米)
答:阴影部分面积约等于 2.9254平方米。
假设正方形边长为R,左下角为X-O-Y的原点
则大圆(1/4圆)方程为x^2 + y^2 = R^2
小圆方程为(x-R/2)^2 + (y-R/2)^2 = R^2 / 4
由此得二圆交点为x = (5-sqrt(7))R/8,y = sqrt(32+10sqrt(7))R/8(左上角的,由对称性,只要这个就可以了)
由正方形左下到右上作对角线(左下角为O),O1(R/2,R/2)为小圆圆心,A为上面求出的交点,B为对角线与大圆的交点,B(sqrt(2)R/2,sqrt(2)R/2),B1为对角线与小圆的交点
B1((2+sqrt(2))R/4,(2+sqrt(2))R/4)
由此计算阴影内圆(大圆)对应的圆弧角度为
A1=pi/2 - 2arctan(x/y) = 0.97339
阴影外圆(小圆)对应的圆弧角度为
A2=pi/2 + 2arctan((1/2-x)/(y-1/2)) = 2.41886
这样我们可以计算阴影面积=小圆弓形面积-大圆弓形面积
=-A1*R^2 / 2 + 1/2 R^2 sinA1 + A2*(R/2)^2 / 2 - 1/2 (R/2)^2 sinA2
由此得到阴影面积是正方形面积的0.14638(也许有个无理数精确表达)
所以本题阴影面积为2.93