¿Por qué cuando integras el área de la superficie de una esfera obtienes volumen?

Supongamos que ya sabe que el área de superficie de una esfera es [matemática] 4 \ pi R ^ 2 [/ matemática]. Para encontrar el volumen de su esfera, puede dividirla en muchas conchas delgadas, cada una con un grosor [math] dr [/ math]. El volumen de su caparazón infinitamente delgado es entonces [matemática] 4 \ pi r ^ 2 [/ matemática] [matemática] dr [/ matemática] con [matemática] r [/ matemática] siendo el radio de cualquier estructura dada.

Ahora que tiene el volumen de un caparazón, puede resumir el volumen de todos los caparazones que van desde el radio cero hasta el radio completo [matemática] R [/ matemática].

[matemáticas] \ int_0 ^ R 4 \ pi r ^ 2 dr = [\ frac {4} {3} \ pi r ^ 3] _0 ^ R = \ frac {4} {3} \ pi R ^ 3 [/ matemáticas ]

¡Tienes el volumen de tu esfera!

Puede hacer lo mismo al pasar de la circunferencia al área de un círculo de radio [matemática] R [/ matemática]. Puedes dividir tu círculo en toneladas de arandelas infinitamente delgadas. El grosor de una lavadora es [matemática] dr [/ matemática] y su área es la circunferencia multiplicada por su grosor, [matemática] 2 \ pi r dr [/ matemática]. ¡Puedes integrar de [matemática] 0 [/ matemática] a [matemática] R [/ matemática] para obtener [matemática] \ pi R ^ 2 [/ matemática] para tu área!

¡Feliz integración! 🙂

En realidad, esta relación entre “área de superficie” y “volumen” de una (hiper) esfera se mantiene en una configuración [math] n [/ math] -dimensional para [math] n \ geq 1 [/ math], no solo para el casos [matemática] n = 3 [/ matemática] (esfera) y [matemática] n = 2 [/ matemática] (círculo) que usted menciona. Cuando el radio de la esfera se incrementa de [matemática] r [/ matemática] a [matemática] r + \ Delta r [/ matemática], el volumen de la esfera se incrementa mediante la adición de una capa delgada en la superficie. Infinitesimalmente, el volumen adicional contenido en este caparazón es el área de superficie [matemática] S [/ matemática] veces [matemática] \ Delta r [/ matemática]. En el limite

[matemáticas] \ frac {dV} {dr} = S [/ matemáticas]

Entonces,

[matemáticas] V (r) = \ int_0 ^ r S (u) \; du [/ matemáticas]

Realmente no estás integrando el área de superficie. Más bien, estás integrando los >> volúmenes << de un conjunto de pequeños elementos de volumen en forma de cono cuyos extremos puntiagudos están en el centro de la esfera y cuyos extremos extendidos se suman a la superficie de la esfera.