体积

几何与度量

tǐ jī

体积是立体图形内部所围三维空间的大小,用立方单位表示。

Formula

\text{Varies by solid; measured in cubic units}
Visualization

Definition

体积衡量一个三维物体内部有多少空间,用立方单位表示,比如立方厘米($\text{cm}^3$)或立方英尺($\text{ft}^3$);每种立体图形都有一个由沿深度方向积分横截面面积推导出的公式。对于棱柱和圆柱,$V = \text{base area} \times \text{height}$;对于棱锥和圆锥,$V = (1/3) \times \text{base area} \times \text{height}$。严格地说,$\mathbb{R}^3$ 中的体积是三维勒贝格测度,用三重积分 $V = \iiint_R dV$ 计算;根据卡瓦列里原理,若两个立体图形在每个高度上的横截面积都相等,则它们的体积相等;对于由曲面 $S$ 围成的光滑立体图形,散度定理给出 $V = (1/3)\left|\oint_S r \cdot n \, dA\right|$。

Example

一个长 $4$ cm、宽 $3$ cm、高 $2$ cm 的箱子,体积为 $4 \times 3 \times 2 = 24$ cm$^3$,恰好能装下 $24$ 个边长 $1$ cm 的小立方体。一个 $5 \times 4 \times 3$ m 的长方体,$V = 60$ m$^3$;一个半径 $3$ cm、高 $10$ cm 的圆柱,$V = \pi \times 9 \times 10 = 90\pi = 282.7$ cm$^3$;把每个维度都加倍会使体积变为原来的 $8$ 倍。卡瓦列里原理证明了半径为 $r$ 的球,与半径为 $r$、高为 $2r$ 且去掉一个双圆锥的圆柱,体积相等,这种优雅的"不可分量法"早于微积分,由阿基米德使用过。

Key Insight

体积回答的是"里面能装多少?",而表面积回答的是"需要多少包装?"体积按线性尺寸的立方缩放,所以按因子 $k$ 缩放的图形,体积会变为原来的 $k^3$ 倍,这就是为什么蚂蚁能扛起比自身重许多倍的东西,而故事中的巨人却会被自身重量压垮。棱锥和圆锥体积公式中的 $1/3$ 因子,源自对线性递减横截面的积分;阿基米德发现,球的体积恰好是其外接圆柱体积的 $2/3$,这一结果被他视为自己最伟大的成就。