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Leçon 5

Calcul de volumes

Vidéo 5 : Calcul de volumes · 3 min 04 s · sous-titres en français

Le cours écrit

L'espace est muni d'un repère orthonormé. L'unité de volume (u.v.) est le volume du cube construit sur les trois vecteurs unités.

5.1 Volume à l'aide des sections planes

Un solide est compris entre les plans d'équations z=az = a et z=bz = b, avec a<ba < b. Pour chaque zz de [a;b][a;b], le plan de cote zz coupe le solide selon une surface d'aire S(z)S(z).

Formule (programme officiel). Si la fonction SS est continue sur [a;b][a;b], le volume du solide est V=∫abS(z) dz u.v.V = \int_a^b S(z)\,dz \text{ u.v.}

Idée. On découpe le solide en tranches très fines d'épaisseur dzdz. Chaque tranche a un volume proche de S(z) dzS(z)\,dz (aire de la base fois épaisseur), et on additionne : c'est le rôle de l'intégrale.

Exemple 1 (pyramide et cône). Une pyramide (ou un cône) a pour sommet OO, pour hauteur hh et pour base une surface d'aire BB, dans le plan z=hz = h. La section à la cote zz est une réduction de la base, de rapport zh\dfrac{z}{h} : son aire est S(z)=B(zh)2S(z) = B\left(\dfrac{z}{h}\right)^2. Donc V=∫0hBh2 z2 dz=Bh2×h33=Bh3.V = \int_0^h \frac{B}{h^2}\,z^2\,dz = \frac{B}{h^2} \times \frac{h^3}{3} = \frac{Bh}{3}. On retrouve la formule connue depuis le collège.

Exemple 2 (la boule). Une boule de centre OO et de rayon RR est coupée par le plan de cote zz (−R≤z≤R-R \leq z \leq R) selon un disque de rayon r(z)=R2−z2r(z) = \sqrt{R^2 - z^2} (théorème de Pythagore). Donc S(z)=π(R2−z2)S(z) = \pi(R^2 - z^2) et V=∫−RRπ(R2−z2) dz=π[R2z−z33]−RR=π(2R33+2R33)=43πR3.V = \int_{-R}^{R} \pi(R^2 - z^2)\,dz = \pi\left[R^2z - \frac{z^3}{3}\right]_{-R}^{R} = \pi\left(\frac{2R^3}{3} + \frac{2R^3}{3}\right) = \frac43\pi R^3.

5.2 Solides de révolution

Soit ff continue sur [a;b][a;b]. En faisant tourner la courbe de ff autour de l'axe des abscisses, on obtient un solide de révolution. Sa section par le plan perpendiculaire à l'axe au point d'abscisse xx est un disque de rayon ∣f(x)∣|f(x)|, d'aire πf(x)2\pi f(x)^2.

Formule (donnée à l'élève par le programme). V=π∫abf(x)2 dx u.v.V = \pi\int_a^b f(x)^2\,dx \text{ u.v.}

Exemple 3. La courbe de f(x)=xf(x) = \sqrt x sur [0;4][0;4] tourne autour de l'axe des abscisses. Le solide obtenu, en forme de bol, a pour volume V=π∫04(x)2dx=π∫04x dx=π[x22]04=8π u.v.V = \pi\int_0^4 \left(\sqrt x\right)^2 dx = \pi\int_0^4 x\,dx = \pi\left[\frac{x^2}{2}\right]_0^4 = 8\pi \text{ u.v.}

Exemple 4 (cône de révolution). Avec f(x)=rh xf(x) = \dfrac{r}{h}\,x sur [0;h][0;h], le segment tourne et engendre un cône de hauteur hh et de rayon de base rr : V=π∫0hr2h2 x2 dx=πr2h3.V = \pi\int_0^h \frac{r^2}{h^2}\,x^2\,dx = \frac{\pi r^2 h}{3}.

Exemple 5. Avec f(x)=e−xf(x) = e^{-x} sur [0;1][0;1] : V=π∫01e−2x dx=π[−e−2x2]01=π2(1−e−2)≈1,36V = \pi\displaystyle\int_0^1 e^{-2x}\,dx = \pi\left[-\frac{e^{-2x}}{2}\right]_0^1 = \frac{\pi}{2}\left(1 - e^{-2}\right) \approx 1{,}36 u.v.

5.3 Les unités

Si l'unité de longueur du repère orthonormé vaut pp cm, alors 11 u.v. =p3= p^3 cm³.

Exemple 6. Dans l'exemple 3, avec une unité de 22 cm : 11 u.v. =8= 8 cm³ et V=8π×8=64π≈201V = 8\pi \times 8 = 64\pi \approx 201 cm³.

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Exercice 8

  • Exercice 8 : volumes

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