底面積、高さの円錐、角錐の体積は
\begin{equation}
V = \frac{1}{3} \, Sh
\end{equation}であることは、中学校で習います。
ですが、なぜそうなるのかは、教えてくれません。
積分を上手に使うと、求めることができます。
頂点から底面に垂線を下ろします。
頂点を、底面の位置をとします。
変数は頂点から底面に近付くにつれて増えていきます。
位置だけ増やしたとき、増える体積は、
\begin{equation}
dV = \frac{x^2}{h^2} S \, dx
\end{equation}です。
したがって、
\begin{eqnarray}
V &=& \int_V dV \\
&=& \int_0^h \frac{x^2}{h^2} \, S \, dx \\
&=& \frac{S}{h^2} \left[ \frac{1}{3} \, x^3 \right]_0^h \\
&=& \frac{Sh^3}{3h^2} \\
&=& \frac{1}{3} \, Sh
\end{eqnarray}を得ます。
中学の時の先生は、こんなことをやっていました。
- 底面が同じである円筒形の器と円錐形の器を用意
- 円錐形の器に水を満たし、円筒形の器に注ぐ
- 円錐形の器3杯で、円筒形の器は満たされる
ビジュアルに訴えた、実演証明でした。