题目

古人如何计算面积与体积?

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基本的多面体
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中国传统数学解决面积、体积和勾股、测望问题的重要方法是出入相补。出入相补原理是将其积未知的平面图形或立体图形分割成若干部分,将它们重新拼合成其面积或体积为已知的图形,从而解决与面积、体积有关的问题,它起源于《算数书》、《九章算术》编纂的时代,不过现传最早的记载在赵爽《周髀算经注》的勾股圆方图说与刘徽《九章算术注》的方田、少广、商功、勾股等章中。它基于这两个基本的前提:将一个图形分割成若干部分,则它们全体的面积或体积之和等于原图形的面积或体积;将一个图形平移或旋转不改变其面积或体积。这两个前提在中国传统数学著作中没有表述过,是当作不言自明的真理使用。

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三品基
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《九章算术》提出了长方形、三角形、梯形等多边形的面积公式。刘徽对长方形的面积公式没有证明,只给出了面积的定义:“凡广从相乘谓之幂。”显然,幂是面积,与今天指乘方是不同的。对其他多边形的面积公式,都是用出入相补原理证明。已知三角形的三边为:小斜a,大斜b,中斜c,秦九韶在《数书九章》提出了三斜求积术:“以小斜幂并大斜幂,减中斜幂,余半之,自乘于上。以小斜幂乘大斜幂,减上,余,四约之,为实。一为从隅,开平方得积。”此即:,将根号下的多项式分解因式,便成为可见,三斜求积术与古希腊海伦公式是等价的。

 

《算数书》、《九章算术》提出了若干多面体体积公式。其中以长方体堑堵(沿长方体相对两棱斜解,得二堑堵)阳马(沿堑堵的一顶点与相对一棱斜解,得一阳马,一鳖臑,鳖臑最为重要,V,a,b,h分别是它们的体积,宽,长,高。《算数书》、《九章算术》时代用棊验法推导多面体的体积公式。这个公式及用棊验法推导的其他多面体公式都是正确的。然而棊验法只适应于可分解为三品棊标准多面体,对一般尺寸的多面体则无法应用。刘徽证明阳马、鳖臑体积公式之后,将多面体分解为有限个长方体、堑堵、阳马、鳖臑。

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堑堵

古代数学名词。两底面为直角三角形的棱柱,亦即长方体的斜截平分体。

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阳马

阳马,中国古代算数中的一种几何形体,是底面为长方形,两个三角面与底面垂直的四棱锥体。

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鳖臑

鳖臑是三角锥体的古称。

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上载日期:
2019年11月19日

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