簡單證明圓錐體積為三分之一圓柱


把圓錐沿高分成\(k\)份,每份高\(\frac{h}{k}\)

當這一份很薄時,可以近似為一個圓柱。

\(n\)份半徑:

\[\frac{nr}{k} \]

\(n\)份底面積:

\[\frac{\pi n^2 r^2}{k^2} \]

\(n\)份體積:

\[\frac{\pi hn^2r^2}{k^3} \]

總體積:

\[\sum_{n=1}^{k}\frac{\pi hr^2}{k^3}n^2 \]

因為\(1^2+2^2+3^2+...+k^2=\frac{k(k+1)(2k+1)}{6}\)(平方數列求和公式)

所以總體積

\[\begin{aligned} V &= \frac{\pi hr^2}{k^3}\cdot \frac{k(k+1)(2k+1)}{6} \\ &= \frac{\pi hr^2}{k^2}\cdot \frac{(k+1)(2k+1)}{6} \\ &= \pi hr^2 \frac{(1+\frac{1}{k})(2+\frac{1}{k})}{6} \end{aligned} \]

因為當\(k\)越來越大,總體積越接近於圓錐體積,\(\frac{1}{k}\)越接近於\(0\)

所以

\[V = \pi hr^2\frac{(1+\frac{1}{k})(2+\frac{1}{k})}{6} = \frac{\pi r^2 h}{3} \]

因為\(V_{圓柱}=\pi r^2 h\)

所以\(V_{圓錐}\)是與它等底等高的圓柱體積的\(\frac{1}{3}\)


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