数式で独楽する

数式を使って楽しむブログです

[tex: ]

円錐、角錐の体積

底面積 S、高さ hの円錐、角錐の体積 V
\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 x=0、底面の位置を x=hとします。
変数 xは頂点から底面に近付くにつれて増えていきます。
位置 x[で円錐、角錐を底面に平行な平面で切断したときの断面積は
\begin{equation}
\frac{x^2}{h^2}S
\end{equation}です。
高さを[tex: dxだけ増やしたとき、増える体積 dV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。

  1. 底面が同じである円筒形の器と円錐形の器を用意
  2. 円錐形の器に水を満たし、円筒形の器に注ぐ
  3. 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。