Pourquoi le volume d’une boule est égal à \(\frac{4}{3}\pi r^3\) ?

Pourquoi le volume d’une boule est égal à \(\frac{4}{3}\pi r^3\) ?

J’ai expliqué dans l’article précédent d’où venait la formule qui permet de calculer l’aire d’un disque. Il est donc naturel de passer à la dimension supérieure et de parler de boules…

Nous avons vu dans ce dernier article que l’outil d’intégration pouvait nous permettre d’effectuer une somme continue. Nous allons continuer d’utiliser cet outil en considérant, dans un repère orthonormé de l’espace, une sphère centrée en l’origine:

Boule de rayon r centrée en l’origine d’un repère orthonormé de l’espace

puis en considérant un disque parallèle au plan horizontal de hauteur h:

Disque coupant une boule à une hauteur de h.

L’idée est d’ajouter tous ces disques pour h variant de 0 à r ; ainsi, on aura la demi-boule supérieure. Le volume de la demi-boule supérieure est donc égal à:$$\mathcal{V}_{1/2}=\int_0^r \mathcal{A}(h)\text{d}h$$où \(\mathcal{A}(h)\) est l’aire du disque de hauteur h.

Le rayon p du disque de hauteur h est, d’après le théorème de Pythagore:$$p=\sqrt{r^2-h^2}.$$Ainsi,$$\mathcal{A}(h)=\pi \times p^2=\pi(r^2-h^2)$$et donc:$$\begin{align}\mathcal{V}_{1/2}&=\pi\int_0^r\left(r^2-h^2\right)\text{d}h\\&=\pi\left[r^2h-\frac{h^3}{3} \right]_0^r\\&=\pi\left(r^3-\frac{r^3}{3}\right)\\&=\frac{2}{3}\pi r^3.\end{align}$$

Ayant le volume de la demi-boule, il ne reste plus qu’à le doubler pour obtenir celui de la boule; on obtient bien alors: $$\mathcal{V}_{\text{boule}}=\frac{4}{3}\pi r^3.$$

Stéphane Pasquet
Stéphane Pasquet

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