第四章 面积与体积
第三节 多面体体积
目录
第一章 中国古代数学综述
第二章 记数法与计算工具
第二章 记数法与计算工具
第三章 算术运算
第三章 算术运算
第四章 面积与体积
第三节 多面体体积
第四章 面积与体积
第五章 勾股测望
第六章 线性方程组解法
第七章 高次方程数值解法
第七章 高次方程数值解法
第八章 天元术与四元术
第八章 天元术与四元术
第九章 垛积招差
第十章 不定问题
第十一章 无穷小分割思想
第十一章 无穷小分割思想
第十二章 中国古代数学的特征与意义
第十二章 中国古代数学的特征与意义
第十二章 中国古代数学的特征与意义
附录
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图12 堤防

图11 羡除
《九章》给出其体积公式是V=(1/6)(a+b+c)hl。对这些立体的特殊情形,刘徽之前都用棊验法,而对一般情形,棊验法亦无能为力。刘徽将它们分解成有限个长方体、堑堵、阳马、鳖臑,求其和而证明之。刘徽所补充的上述公式就是由此得出的。

图5 阳马

图8 方亭

图6 鳖臑
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显然,复杂多面体体积的解决都要归结到阳马、鳖臑,正如刘徽所说:“不有鳖臑,无以审阳马之数,不有阳马,无以知锥亭之类,功实之主也。”(《九章算术·商功章注》)中国古代的多面体体积理论,由《九章》提出公式,刘徽完成证明,可以说基本完备。祖冲之父子可能将其推进到隋唐数学家看不懂的地步,由于《缀术》失传,其详情不得而知。就现有资料看唐宋无大的突破。唐初王孝通解决土木工程中更复杂的体积计算问题,都是《九章》已经讨论过的多面体或其组合。《九章》的堤上下两底平行,王孝通解决了一种上下底不平行的堤防,如图12,它可以分解成一个堤与一个羡除,那么,其体积就是两者体积之和。金元治河著作《河防通议》给出其体积公式V=(1/6)[(2h1+h2)(a+b1)/2+(2h2+h1)(a+b2)/2]其中a为上底面广,l为长,h1、h2分别为两头之高,b1、b2分别为两头下广。九九藏书网
堑堵是将长方体沿相对两棱剖开所得的立体(图4),其体积显然为V=½abh。沿堑堵的一顶点与相对的棱剖开,一部分是底面为长方形,一棱垂直于底面的四棱锥,称为阳马(图5),《九章》给出其体积公式V=(1/3)abh;一部分为四面都是勾股形的四面体,叫鳖臑〔nao闹〕(图6),其体积V=(1/6)abh。在a=b=h的情况下,人们用六个鳖臑或三个阳马可拚成一个正方体,上述两个公式是显然的,这是棊(同“祺”)验法。而当a≠b≠h时,棊验法无能为力,必须用无穷小分割方法才能证明上述公式。这是刘徽的重大贡献,将在第十一节中介绍。

图9 刍童

图4 堑堵
九九藏书
方锥的体积与阳马相同(见图7)。今之方台,古代称为方亭。设上方边长a,下方边长b,高h(图8),《九章》给出的公式是V=(1/3)(a2+b2+ab)h。刘徽又给出等价的公式V=(1/3)(b-a)2h+abh。刍童是草垛,盘池是挖的水池,冥谷是挖的大墓穴,都是上、下底面为长方形的棱台体(图9)。汉代帝王的陵墓都是刍童形。设上底为a1×b1,下底为a2×b2,高h,《九章》给出的体积公式是V=(1/6)[(2a1+a2)b1+(2a2+a1)b2]h。刘徽又提出两个等价的公式V=(1/3)(a2-a1)+(a2-a1)h+½(a2b1+a1b2)h和V=(1/3)[a1b1+a2b2+½(a2b1+a1b2)]h。刍甍也是草垛,形状像屋脊(图10)。设底面为a2×b2,上长b1,高h,《九章》给出其体积公式V=(1/6)(2b2+b1)ha2。刘徽又给出等价的公式V=(1/3)(b2-b1)ha2+½b2a2h。羡〔音yan,通埏〕除是墓道,它是一种三面为等腰梯形(其中两面互相垂直)而两侧面为三角形的楔形体(图11)。设其三广为a、b、c,高h,长l。99lib•nethttp://www•99lib.net

图3 堑之出入相补

图10 刍甍

图7 方锥
堤、沟、渠是水利设施,堑、城、垣是建筑或防御工事,其横截面都是相等的梯形。设上、下广是a、b,高(深)h,长l,《九章》提出的体积公式是V=½(a+b)hl。刘徽采用出入相补,将其变成宽½(a+b),长l,高h的长方体证明之(图3)。
《九章》商功章提出了许多多面体体积的算法,并在实际中使用了长方体的体积公式V=abh,对此,刘徽把它看成不言自明而未试图证明。
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