Почему в больших городах по площади живет мало населения?

Это зависит от соотношения количества одноэтажных и многоэтажных домов в городе. Если в городе значительную площадь занимает частный сектор, дома там одноэтажные на 1 или 2 семьи, с земельными участками, у этих хозяев есть огороды, а у многих жителей больших домов есть дачи. Также и промзона может входить в состав города, на территории города может быть несколько промзон разного типа, а также разные системы дорожных развязок и железных дорог. В большинстве больших городов (региональные центры и столица) больших домов много, немало высотных домов, где жители живут компактно. Имеет значение и цена земли в городе, в центральных городах земля дорогая. А владельцы домов с земельными участками - это не бедные люди в большом городе.

Всё зависит от того, чем занята эта самая площадь. Во многих городах большую часть территории занимают природные объекты, места добычи полезных ископаемых, промышленные предприятия. Иногда города, для поддержания определённого уровня численности населения включают в себя окрестные поселения, как например, Орск или Волгоград, ведь солидная часть Орска незастроена вообще ничем, занята полями и степями.

В миллионниках же земля дороже, они растут вверх, оставаясь компактными. Посмотрите на Екатеринбург.

Скорее всего очень много места отведено на различные пром зоны, которые обычно находятся за городом, но они входят в территорию того самого города. Масса различных заводов, ведь чем больше людей проживает, тем больше создается рабочих мест. А если взять например центр города, то посмотрите вместо первых этажей в жилых домах, практически везде уже квартиры переделанный под магазины. Поэтому и площадь получается больше на душу населения, чем в маленьких городах.