问题

圆锥体的体积公式是怎么推导出来的?

回答
圆锥体的体积,我们生活里接触得非常多,比如甜筒冰淇淋,比如尖尖的帽子,再比如教堂里那种高高的穹顶。那么这个圆锥体的体积到底是怎么算出来的呢?它可不是凭空冒出来的数字,而是有严谨的数学推导过程的。今天我们就来好好聊聊这个推导过程,保证你听完能把它深深印在脑子里。

我们要推导圆锥体的体积公式,最常用、也最容易理解的方法,就是利用积分的思想。当然,如果你对积分还不太熟悉,别担心,我尽量用最直观的方式来解释。

核心思想:化繁为简,累积微小

想象一下,我们想知道一整块蛋糕(圆锥体)有多大。直接测量它有点困难,但如果把蛋糕切成很多很多非常非常薄的片,比如一片片的圆盘,然后测量每一片圆盘的体积再加起来,是不是就很容易了?这,就是积分的核心思想——把一个复杂的整体,分解成无数个简单的小部分,计算出小部分的量,然后累加起来,得到整体的量。

圆锥体是什么样的?

我们先定义一下圆锥体。一个圆锥体有一个底面(一个圆),和一个顶点(一个点)。从顶点到底面的垂直距离,我们称之为圆锥体的高(用 $h$ 表示)。圆锥体底面的半径我们用 $r$ 表示。

开始推导:切片!

我们设想,把圆锥体从顶点到底面,垂直于高线,切成无数个薄薄的圆片。每一片都可以看作是一个小小的圆柱体。

让我们把圆锥体的顶点放在坐标系的 $y$ 轴上,顶点在 $(0, h)$ 处(这里的 $y$ 轴代表高度),底面在 $xy$ 平面上,圆心在原点 $(0, 0)$,半径是 $r$。这样设定是为了方便我们描述每一层切片的位置和大小。

现在,我们从顶点往底面看,选择一个高度 $y$。在这个高度 $y$ 处,我们切一刀。这一刀切出来的是一个什么形状呢?它肯定是一个圆。这个圆的半径是多少呢?

关键一步:找到切片圆的半径与高度的关系

我们知道,圆锥体是“向上收缩”的。在顶点处,半径是0;在底面处,半径是 $r$。我们截取的这个高度为 $y$ 的圆片,它距离顶点的高度是 $hy$ (如果我们以底部为 $y=0$ 来计算,那么距离顶点就是 $y$;反过来,如果我们以顶点为 $y=0$,则距离顶点为 $y$)。为了方便推导,我们还是设顶点在 $(0,0)$,底面在 $y=h$ 处,底面半径为 $r$。

现在,我们考虑在高度为 $y$ 的地方(从顶点算起, $0 le y le h$),截出一个小圆片。这个小圆片的半径我们称之为 $r(y)$。

我们来看一下圆锥体侧面的形状。如果把圆锥体的侧面展开,它是一个扇形。但是我们现在关注的是它的高度和半径的关系。我们可以想象,从顶点到底面的这条线(母线)是一条直线。

考虑一个截面,这个截面包含圆锥体的顶点和底面圆的一条直径。这个截面是一个等腰三角形。顶点在 $(0,0)$,底边在 $y=h$ 处,端点是 $(r, h)$ 和 $(r, h)$。

现在我们来看高度为 $y$ 的那个小圆片。它所在的截面,也是一个等腰三角形,这个小三角形的顶点在 $(0,0)$,底边是在高度 $y$ 处,也就是在 $y$ 轴上的点 $(0,y)$ 处。这个小圆片的半径就是这个小三角形腰上的横向距离,也就是 $r(y)$。

这两个三角形是相似三角形!这是非常关键的一点。
上面的大三角形(包含整个圆锥体)的高度是 $h$,底边(直径)的一半是 $r$。
我们截取的高度为 $y$ 的小三角形,它的高度是 $y$,底边的一半就是 $r(y)$。

根据相似三角形的性质,对应边成比例:
$$ frac{r(y)}{y} = frac{r}{h} $$

通过这个比例关系,我们就可以得出,在高度 $y$ 处的截面圆的半径 $r(y)$ 是:
$$ r(y) = frac{r}{h} y $$

看到了吗?小圆片的半径是随着高度 $y$ 线性增长的。

计算小圆片的体积

我们现在知道,在高度 $y$ 处的这个小圆片,它的半径是 $r(y) = frac{r}{h} y$。
我们将这个小圆片想象成一个非常非常薄的圆柱体。假设它的厚度是无限小的,我们用 $dy$ 来表示这个无穷小的厚度(想象成一个非常非常薄的硬币)。

那么,这个小圆柱体的体积 $dV$ 是多少呢?
圆柱体的体积是:底面积 × 高度。
这里的底面积就是半径为 $r(y)$ 的圆的面积,即 $pi [r(y)]^2$。
所以,小圆柱体的体积是:
$$ dV = pi [r(y)]^2 dy $$

把我们刚才得到的 $r(y) = frac{r}{h} y$ 代入:
$$ dV = pi left(frac{r}{h} y ight)^2 dy $$
$$ dV = pi frac{r^2}{h^2} y^2 dy $$

累加所有的小圆片体积(积分)

现在,我们有了每一个无限小的圆片体积的表达式。我们想要得到整个圆锥体的体积 $V$,只需要把所有这些小圆片的体积加起来。
由于我们是从顶点(高度 $y=0$)一直累加到底面(高度 $y=h$),所以我们需要对 $dV$ 从 $y=0$ 积分到 $y=h$:

$$ V = int_{0}^{h} dV $$
$$ V = int_{0}^{h} pi frac{r^2}{h^2} y^2 dy $$

在积分符号前面, $pi$、 $r$ 和 $h$ 都是常数(圆锥体一旦确定,它们的半径和高就是固定的),我们可以把它们提出来:

$$ V = pi frac{r^2}{h^2} int_{0}^{h} y^2 dy $$

现在我们来计算这个积分:$int y^2 dy$ 的结果是 $frac{1}{3} y^3$。
所以,
$$ V = pi frac{r^2}{h^2} left[ frac{1}{3} y^3 ight]_{0}^{h} $$

这里的方括号表示我们需要把积分的上限和下限代入计算结果,然后相减。

$$ V = pi frac{r^2}{h^2} left( frac{1}{3} h^3 frac{1}{3} (0)^3 ight) $$
$$ V = pi frac{r^2}{h^2} left( frac{1}{3} h^3 ight) $$

最后一步,我们化简一下:
$$ V = pi frac{r^2}{h^2} frac{1}{3} h^3 $$
$$ V = frac{1}{3} pi r^2 h $$

瞧!我们成功地推导出了圆锥体的体积公式:体积 $V = frac{1}{3} pi r^2 h$。

这个公式告诉我们,圆锥体的体积是同底同高圆柱体体积的三分之一。是不是很有趣?

用另一种方式理解(几何直观)

虽然积分是严谨的数学证明,但我们可以用一种更直观的几何方式来感受一下为什么是三分之一。

想象一下,我们有一个圆柱体,它的底面半径是 $r$,高是 $h$。它的体积是 $pi r^2 h$。
现在,我们在这个圆柱体内部,放入一个同样的圆锥体,让它的底面和圆柱体的底面重合,顶点也在圆柱体的一端。

如果我们可以找到三个这样的圆锥体,正好可以填满这个圆柱体,那么圆锥体的体积自然就是圆柱体的 $frac{1}{3}$ 了。

古希腊的数学家欧多克索斯就曾证明过这一点。他的证明方法是说,你可以把一个圆锥体分割成很多小块,然后通过重新组合,可以拼成三个与它体积相等的“尖塔”,而这三个“尖塔”恰好可以组成一个与圆锥体同底同高的圆柱体。这听起来有点抽象,但大致意思是说,圆锥体确实是同底同高圆柱体体积的三分之一。

还有一种更形象的实验:找一个圆锥体容器和一个同底同高的圆柱体容器。往圆锥体容器里装沙子(或者水),然后倒进圆柱体容器里。你会发现,需要倒满圆锥体容器三次,才能把圆柱体容器装满。这从实践上验证了圆锥体的体积是圆柱体的 $frac{1}{3}$。

总结一下推导过程:

1. 核心思想: 将圆锥体视为无数个无限薄的圆片累加而成。
2. 建立坐标系: 将圆锥体放在坐标系中,方便描述每一层的尺寸。
3. 找到关键关系: 利用相似三角形的原理,确定任意高度 $y$ 处的截面圆半径 $r(y)$ 与圆锥体整体半径 $r$ 和高 $h$ 的关系:$r(y) = frac{r}{h} y$。
4. 计算小部分体积: 将这个截面圆视为一个薄圆柱体,其体积 $dV = pi [r(y)]^2 dy = pi frac{r^2}{h^2} y^2 dy$。
5. 积分累加: 将所有这些无限小的体积从顶点到顶面积分:$V = int_{0}^{h} pi frac{r^2}{h^2} y^2 dy$。
6. 求解: 通过计算积分,最终得到圆锥体的体积公式 $V = frac{1}{3} pi r^2 h$。

整个推导过程,从最基本的几何形状的认识,到利用微积分的强大工具,最终得出简洁而优美的公式,充满了数学的智慧和魅力。下次你看到甜筒冰淇淋,或者戴上尖顶帽子的时候,不妨想想这个公式是怎么来的吧!

网友意见

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我们先来一个物理方法, 再来数学方法.

假设现在有 个圆锥和圆柱, , 我们往这个圆柱空间投点, 计算有多少点在椎体内, 有多少点在椎体外的柱体内, 然后计算椎体内的点占所有点的半分比.

如下代码.

解释一下代码, 我一共进行了一亿次模拟. 矩阵 的 列里放的是 的随机数. 分别用来储存点坐标的 .

计算 , 也就是各个点到中心的距离, 存储在矩阵 的 列中, 并筛去那些没有落在圆 内的点.

这样, 我们就可以得到圆柱内的所有点的个数, 储存在 中

下一步我们就是要统计落在圆锥内的点的个数.

对于一个半径为 , 高度为 的圆锥来说, 其在 处的半径为 (相似三角形可证). 所有如果一个点落在椎体内, 一定有

而我们代码里面的 , 所以写成代码就如下所示.

筛去没有落在椎体内的点, 并且统计剩下的点数.

用椎体的点数除以圆柱的所有点数, 就得到了椎体和圆柱的体积之比.

       clear point=zeros(1e8,5); point(:,2:4)=rand(1e8,3); point(:,5)=point(:,3).^2+point(:,4).^2; point(:,1)=floor(point(:,5))*(-1)+1; point(point(:,1)==0,:)=[]; before=size(point,1); point(:,1)=floor(point(:,5)-(1-point(:,2)).^2)*(-1); point(point(:,1)==0,:)=[]; after=size(point,1); volume=vpa(after/before)     

非常不错, 和 非常接近, 所以我们猜测椎体体积是圆柱体体积的 .


那我们怎么用数学证明这个结论呢?

设圆锥体底面积为 , 高度 处的截面积 , , 所以 (相似三角形可证)

所以椎体体积为

所以, 椎体体积为 的底面积乘高, 和数值模拟出来是一样的.


注意, 这里的椎体不一定是圆锥体, 四棱锥, 五棱锥, 任意棱锥也有相同的结论, 也是用相似三角形证明截面积和底面积只比再积分. 只不过四棱锥五棱锥可以看成多个三棱锥的拼接.

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