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2 La théorie 2.1 Calcul de volume Soit S l aire d une surface délimitée par l intersection d un solide P et d un plan d équation z = t, où S(t) est une fonction définie et continue sur l intervalle [a; b]. Le volume V du solide P délimité par les plans z = a et z = b est défini par 3 Attention! V = b a S(t)dt Avant de calculer l intégrale d une fonction, il faut absolument : déterminer son ensemble de définition ; vérifier que la fonction considérée est continue sur cet intervalle ; vérifier que les bornes de l intégrale appartiennent à cet intervalle. 2

4 Exercices pratiques 4.1 Exercice 1 Soit un parallélépipède rectangle P dont les côtés ont pour longueurs respectives a, b et c. Retrouver la formule du volume V P du parallélépipède rectangle au moyen du calcul intégral. On définit le rectangle R par l intersection du plan horizontal d équation z = ξ, avec ξ c, et du parallélépipède rectangle P. Lorsque ξ croît de à c, R parcourt verticalement tout le parallélépipède rectangle P. Or, l aire du rectangle R est par définition A R = ab. Toutefois, dans la mesure où il est possible de définir le volume V P comme le parcours vertical du rectangle R lorsque z évolue de à c, le volume V P correspond alors à l intégrale de A R pour z variant entre et c : V P = V P = c c A R dz abdz V P = [abz] c V P = abc ab V P = abc Le volume V P d un parallélépipède rectangle dont les côtés ont pour longueurs respectives a, b et c est V P = abc. 3

4.2 Exercice 2 Soit un cylindre T de rayon R et de hauteur h. Retrouver la formule du volume V T du cylindre au moyen du calcul intégral. On définit le cercle C par l intersection du plan horizontal d équation z = ξ, avec ξ h, et du cylindre T. Lorsque ξ croît de à h, C parcourt verticalement tout le cylindre T. Or, l aire du cercle C est par définition A C = πr 2. Toutefois, dans la mesure où il est possible de définir le volume V T comme le parcours vertical du cercle C lorsque z évolue de à h, le volume V T correspond alors à l intégrale de A C pour z variant entre et h : V T = V T = h h A C dz πr 2 dz V T = [πr 2 z] h V T = πr 2 h πr 2 V T = πr 2 h Le volume V T d un cylindre de rayon R et de hauteur h est donc V T = πr 2 h. 4

4.3 Exercice 3 Soit un cône P de rayon R et de hauteur h. Retrouver la formule du volume V P du cône au moyen du calcul intégral. On définit le cercle C par l intersection du plan horizontal d équation z = ξ, avec ξ h, et du cône P. Lorsque ξ croît de à h, C parcourt verticalement tout le cône P. Or, l aire du cercle C est par définition A C = πr 2 C, où r C désigne le rayon de C, tel que r C R. Toutefois, dans la mesure où il est possible de définir le volume V P comme le parcours vertical du cercle C lorsque ξ évolue de à h, la méthode consiste à exprimer l aire A C en fonction de ξ. Il s agit donc de déterminer dans le repère (O; r A ; z) l équation de la surface conique de P. C est un simple problème d équation de droite qui, en plaçant la pointe du cône à l origine du repère, fournit : ξ = h R r C r C = R h ξ L aire A C devient donc A C = π R2 h 2 ξ2. Le volume V T l intégrale de A C pour ξ variant entre et h : V T = h A C dξ = h π R2 h 2 ξ2 dξ = V T = π R2 h 2 h 3 3 π R2 h 2 3 = 1 3 πr2 h ] [π R2 ξ 3 h h 2 3 correspond alors à Le volume V T d un cône de rayon R et de hauteur h est donc V T = 1 3 πr2 h. 5

4.4 Exercice 4 Soit une sphère S de centre O(; ; ) et de rayon R. Retrouver la formule du volume V S de la sphère au moyen du calcul intégral. On définit le cercle C par l intersection du plan horizontal d équation z = ξ, avec R ξ R, et de la sphère S. Lorsque ξ croît de R à R, C parcourt verticalement toute la sphère S. Or, l aire du cercle C est par définition A C = πr 2 C, où r C désigne le rayon de C, tel que r C R. Toutefois, dans la mesure où il est possible de définir le volume V S comme le parcours vertical du cercle C lorsque ξ évolue de R à R, la méthode consiste à exprimer l aire A C en fonction de ξ. Soit M, un point à la surface de S, tel que z M = ξ. D après le théorème de Pythagore, on peut écrire : OM 2 = ξ 2 + r 2 C = R2 r 2 C = R2 ξ 2 L aire A C devient donc A C = π(r 2 ξ 2 ). Le volume V S correspond alors à l intégrale de A C pour ξ variant entre R et R : R R [ )] R V S = A C dξ = π(r 2 ξ 2 )dξ = π (R 2 ξ ξ3 R R 3 ) ) ) R V S = π (R 3 R3 π ( R 3 + R3 = 2π (R 3 R3 = 4 3 3 3 3 πr3 Le volume V S d une sphère de rayon R est donc V S = 4 3 πr3. 6