題目

古人如何計算面積與體積?

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基本的多面體
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中國傳統數學解決面積、體積和勾股、測望問題的重要方法是出入相補。出入相補原理是將其積未知的平面圖形或立體圖形分割成若干部分,將它們重新拼合成其面積或體積為已知的圖形,從而解決與面積、體積有關的問題,它起源於《算數書》、《九章算術》編纂的時代,不過現傳最早的記載在趙爽《周髀算經注》的勾股圓方圖說與劉徽《九章算術注》的方田、少廣、商功、勾股等章中。它基於這兩個基本的前提:將一個圖形分割成若干部分,則它們全體的面積或體積之和等於原圖形的面積或體積;將一個圖形平移或旋轉不改變其面積或體積。這兩個前提在中國傳統數學著作中沒有表述過,是當作不言自明的真理使用。

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三品基
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《九章算術》提出了長方形、三角形、梯形等多邊形的面積公式。劉徽對長方形的面積公式沒有證明,只給出了面積的定義:「凡廣從相乘謂之冪。」顯然,冪是面積,與今天指乘方是不同的。對其他多邊形的面積公式,都是用出入相補原理證明。已知三角形的三邊為:小斜a,大斜b,中斜c,秦九韶在《數書九章》提出了三斜求積術:「以小斜冪並大斜冪,減中斜冪,餘半之,自乘於上。以小斜冪乘大斜冪,減上,餘,四約之,為實。一為從隅,開平方得積。」此即:,將根號下的多項式分解因式,便成為可見,三斜求積術與古希臘海倫公式是等價的。

 

《算數書》、《九章算術》提出了若干多面體體積公式。其中以長方體塹堵(沿長方體相對兩稜斜解,得二塹堵)陽馬(沿塹堵的一頂點與相對一稜斜解,得一陽馬,一鱉臑,鱉臑最為重要,V,a,b,h分別是它們的體積,寬,長,高。《算數書》、《九章算術》時代用棊驗法推導多面體的體積公式。這個公式及用棊驗法推導的其他多面體公式都是正確的。然而棊驗法只適應於可分解為三品棊標準多面體,對一般尺寸的多面體則無法應用。劉徽證明陽馬、鱉臑體積公式之後,將多面體分解為有限個長方體、塹堵、陽馬、鱉臑。

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塹堵

古代數學名詞。兩底面為直角三角形的棱柱,亦即長方體的斜截平分體。

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陽馬

陽馬,中國古代算數中的一種幾何形體,是底面為長方形,兩個三角面與底面垂直的四棱錐體。

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鱉臑

鱉臑是三角錐體的古稱。

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上載日期:
2019年11月19日

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