算数

すい体たいの体積たいせきはなぜ「÷3」? — 立方体りっぽうたいを切きると同おなじ形かたちが3つ

体積たいせきの公式こうしきにも、割わり算ざんのついたものがあります。すい体たい(先さきのとがった立体りったい)の体積たいせきは、底面積ていめんせき×高たかさ÷3。面積めんせきの÷2なら「半分はんぶん」だと分わかります。でも÷3の3は、いったいどこから来きたのでしょうか。

じつはこの3も、暗記あんきする記号きごうではありません。立方体りっぽうたいは、同おなじ形かたちのすい3つに、ぴったり切きり分わけられる——÷3は、その「3つ」がそのまま式しきに残のこったものです。

土台どだいは「柱はしら」 — 底面積ていめんせき×高たかさ

まず、割わり算ざんのつかない方ほうから。角柱かくちゅうや円柱えんちゅうのような柱はしらの形かたちの体積たいせきは、底面積ていめんせき×高たかさです。1辺ぺんが1cmのサイコロを底そこに並ならべると、1段目だんめに並ならぶ数かずが底面積ていめんせき。それが高たかさの分ぶんだけ積つみ重かさなるので、かけ算ざんになります。

では、同おなじ底面ていめん・同おなじ高たかさで、先さきをとがらせたらどうなるでしょう。

同じ底面と高さの柱とすいを並べた図

上うえへ行いくほど細ほそくなるので、柱はしらより小ちいさいのは確たしかです。問題もんだいは、何分なんぶんの1か。半分はんぶんより小ちいさそうに見みえますが、見みた目めだけでは決きめられません。

立方体りっぽうたいを切きると、同おなじ形かたちが3つ

面積めんせきの÷2のときは、「同おなじ三角形さんかくけいを2つ合あわせると平行四辺形へいこうしへんけいになる」が答こたえでした。体積たいせきでも同おなじ作戦さくせんが使つかえます。ただし今度こんどは、合あわせるのではなく切きる方ほうから行いきます。

立方体りっぽうたいの1つの角かどに注目ちゅうもくしてください。その角かどを、3つとも同おなじとがった先さきにします。角かどを含ふくまない3つの面めんが、1枚まいずつ、すいの底面ていめんになります。すると立方体りっぽうたいは、すい3つに切きり分わけられます。

立方体を、とがった先が同じ角になるように3つのすいに切り分けた図

この3つは、色いろが違ちがうだけでまったく同おなじ形かたちです(あとに出でてくる「切きって確たしかめてみよう」の動うごく図ずで、回まわして並ならべられます)。同おなじ形かたちが3つで立方体りっぽうたい1個分こぶん。だから、すい1つ分ぶんの体積たいせきは、立方体りっぽうたいの3分ぶんの1です。

式しきでも確たしかめてみましょう。立方体りっぽうたいの1辺ぺんを1cmとすると、体積たいせきは1×1×1=1cm³。切きり分わけたすいは、底面ていめんが1辺ぺん1cmの正方形せいほうけい(底面積ていめんせき1cm²)、高たかさも1cm。公式こうしきに当あてはめると 1×1÷3=3分ぶんの1cm³——ぴったり合あいます。

とがった先さきは、どこにあってもいい

「でも、いま切きり出だしたすいは、先さきが角かどの真上まうえにある傾かたむいたすいだよ」と思おもった人ひとは、鋭するどい。ふつうのすいは、先さきが底面ていめんのまん中なかの上うえにあります。形かたちが違ちがうのに、同おなじ公式こうしきでいいのでしょうか。

いいのです。それを確たしかめるために、すいを薄うすい輪切わぎりの重かさなりだと考かんがえてみます。トランプを積つんだ山やまを横よこへ少すこしずつずらしても、カードが1枚まいも増ふえないのと同おなじで、輪切わぎりを横よこへずらしても、体積たいせきは変かわりません。そして輪切わぎりをずらすことは、とがった先さきの位置いちを動うごかすことです。下したの図ずで、先さきを左右さゆうに動うごかしてみてください。

どこへ動うごかしても、輪切わぎりの枚数まいすうも大おおきさも変かわらない——底面ていめんと高たかさが同おなじなら、先さきがどこにあっても体積たいせきは同おなじです。だから、傾かたむいたすいで確たしかめた÷3が、まっすぐなすいでもそのまま使つかえます。底面ていめんや高たかさの大おおきさを変かえても同おなじです。柱はしらとすいが一緒いっしょに伸のび縮ちぢみするだけなので、「柱はしらの3分ぶんの1」という関係かんけいはくずれません。

円えんすいも同おなじ÷3

底面ていめんが円えんになっても、考かんがえ方かたは変かわりません。すい体たいはどれも、底面ていめんから先さきへ向むかって同おなじ割合わりあいで細ほそくなっていく形かたちです。同おなじ底面積ていめんせき・同おなじ高たかさの四角しかくすいと比くらべると、どの高たかさで切きっても輪切わぎりの面積めんせきが同おなじです。輪切わぎりがぜんぶ同おなじなら、全体ぜんたいの体積たいせきも同おなじ。だから円えんすいの体積たいせきも底面積ていめんせき×高たかさ÷3。アイスクリームのコーンも、とんがり帽子ぼうしも、みんな÷3の仲間なかまです。

切きって確たしかめてみよう

立方体りっぽうたいが3つに分わかれるところを、手てで動うごかせるようにしました。ひとりでに分わかれて戻もどりますが、つまみを動うごかせば自分じぶんのペースで確たしかめられます。

分わかれた3つは、切きり離はなして回まわしただけで、形かたちは何なにも変かえていません。最後さいごに同おなじ姿すがたで並ならぶのは、3つが本当ほんとうに同おなじ形かたちだからです。

覚おぼえ方かた — 「とがった形かたちは÷3」

体積たいせきの公式こうしきで迷まよったら、この2つだけ思おもい出だしてください。

面積めんせきの÷2は「同おなじ形かたち2つで平行四辺形へいこうしへんけい」の2でした。体積たいせきの÷3は「同おなじ形かたち3つで立方体りっぽうたい」の3。割わり算ざんの数かずは、何個なんこで元もとの形かたちができるかを覚おぼえているのです。公式こうしきを忘わすれても、この仕組しくみを思おもい出だせば組くみ立たて直なおせます。

おもな参考情報