在球的體積公式中,為什麼會出現三分之四這個奇怪的係數?

2021-01-07 艾伯史密斯

球體積公式裡面的4/3,就是一個係數而已,沒有特別的地方,就像三角形面積公式

「S=1/2*底*高」中的1/2一樣。

我們來看半徑為r,關於圓的幾個公式:

圓的周長L=2πr;

圓的面積S=πr^2;

球的表面積S=4πr^2;

球的體積V=(4/3)πr^3;

學過微積分的話很容易看出,圓的周長對r積分就是圓的面積,球的表面積對r積分就是球的體積,公式為(C為常數):

∫2πrdr=πr^2+C;

∫4πr^2=(4/3)πr^3+C;

這其中有著深層的聯繫,比如一個球體,我們在球面取一個二維曲面三角形,當曲面三角形的邊長無限小時,曲面三角形近似為平面三角形,三角形的頂點連線球心,就得到一個三稜錐。

三稜錐的高就是r,三稜錐的體積為dV=(1/3)r*dS,那麼對整個球面積分,就得到了球的體積:

或者我們也可以規規矩矩地建立直角坐標系,然後得到球的體積公式,如下圖:

但是這個看不出公式中係數的意義;又或者我們對比高為R,圓錐和圓柱的體積公式,如下圖:

可以看出半球的體積,正好處於圓錐體積和圓柱體積之間,但這僅僅是一個係數而已,係數4/3確實沒有特別的地方。

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