圆锥的体积
yuán zhuī de tǐ jī
圆锥的体积是三分之一乘以 $\pi$,再乘以半径的平方与高。
Formula
V = \frac{1}{3}\pi r^2 h
Definition
底面半径为 $r$、垂直高为 $h$ 的圆锥,体积为 $V = (1/3)\pi r^2 h$,恰好是同底同高圆柱 $V = \pi r^2 h$ 的三分之一,因为横截面面积从底面到顶点线性递减。只把高加倍会使体积加倍,而只把半径加倍会使体积变为四倍。作为积分,$$V = \int_0^h \pi \left(\frac{rz}{h}\right)^2 dz = \frac{\pi r^2}{h^2} \cdot \frac{h^3}{3} = \frac{1}{3}\pi r^2 h,$$ 其中高度 $z$ 处的横截面是半径为 $r(z/h)$ 的圆盘,从顶点处的 $0$ 线性缩放到底面处的 $r$;同样的公式对斜圆锥也成立,$h$ 取从顶点到底面所在平面的垂直高度,这是卡瓦列里原理的结果。
Example
一个半径 $4$ cm、高 $9$ cm 的冰淇淋筒,$V = (1/3) \times \pi \times 16 \times 9 = 48\pi = 150.8$ cm$^3$。一座以圆锥建模的火山,底面半径 $5$ km、高 $3$ km,$V = (1/3)\pi \cdot 25 \cdot 3 = 25\pi = 78.5$ km$^3$。对于斜圆锥,同样的公式仍然适用,$h$ 取垂直高,因为每个水平截面在相同高度处的面积都与直圆锥中的相同。
Key Insight
把一个圆锥装满水,再倒入一个同半径同高的圆柱:恰好需要 $3$ 个圆锥才能装满,这正是公式中 $1/3$ 的来源。这个因子等价于把 $x^2$ 从 $0$ 到 $1$ 积分,结果是 $1/3$;每一种收缩到一点的图形(棱锥和圆锥)都有相同的 $1/3$ 因子,这是横截面积随到顶点距离的平方缩放的普遍结果。