阳⻢居⼆,鳖臑居⼀,不易之率也

作者: 中科院物理所

来源: ⼤⼩吴的数学课堂

发布日期: 2022-12-05 12:09:35

本文介绍了中国古代数学家刘徽在《九章算术注》中对空间图形的体积计算方法的研究,特别是对堑堵、阳⻢、鳖臑等几何体的定义及其体积关系的探讨,并通过极限方法对其进行证明。

在我国,对空间图形的研究起源很早。由于建筑城墙,开掘沟渠等⼯程需要计算体积,所以在《九章算术》中的“商功章”以及魏晋时期著名数学家刘徽所著的《九章算术注》中介绍了当时的算法。今天,就让我们⾛进历史的⻓河,来看看中国古代数学史中的体积计算。刘徽曾在《九章算术注》中多次运⽤堑(qiàn)堵、阳⻢、鳖臑(nào)等⼏何体来验证并推导⽴体体积的算法。那么什么是堑堵、阳⻢和鳖臑呢?

实际上,这些⼏何体我们并不陌⽣。刘徽⾸先从⼏何形状的⻆度解释“堑堵”(底为直⻆三⻆形的直三棱柱):“邪解⽴⽅得两堑堵;虽复随⽅,亦为堑堵,故⼆⽽⼀。”这句话说明把正⽅体或⻓⽅体过⼀组相对⾯的对⻆线平分得到两个(体积)⼀样的堑堵。刘徽⼜提到:“推其物体,盖为堑上叠也。”这说明作为实物的堑堵可能是叠在沟堑上⾯的⼀种设施,也许这就是“堑堵”之名的由来。阳⻢为何物?

刘徽在术⽂下注云:“阳⻢之形,⽅锥⼀隅也。”意思是阳⻢的形状,就是⽅锥(正四棱锥)的⼀个⻆,并且他⼜补充说:“今谓四柱屋隅为阳⻢。”这便是从实际⽣活中的情况来说明阳⻢作为实物指的是什么。鳖臑则指的是各个⾯都为直⻆三⻆形的四⾯体。刘徽在做注时,侧重于解释鳖臑的字⾯含义:“臑者,臂⻣也。或⽈半阳⻢,其形有似鳖肘,故以名云。

”刘徽还通过⽴体的分解和组合来阐述堑堵、阳⻢、鳖臑这三者的关系:“邪解⽴⽅得两堑堵,邪解堑堵,其⼀为阳⻢,⼀为鳖臑,阳⻢居⼆,鳖臑居⼀,不易之率也。”这指的是把⼀个⽴⽅(正⽅体或是⻓⽅体)斜向分解成两个堑堵,再把堑堵斜向分解得到⼀个阳⻢和⼀个鳖臑,两者的体积⽐总是(不易之率)。实际上,在《九章算术》原著中“商功章”给出了“阳⻢”的体积公式:三条直⻆边乘积的三分之⼀。

这与刘徽后来提出的“不易之率”(阳⻢与鳖臑的体积⽐为)的说法是等价的。但是《九章算术》原著中并没有给出证明。刘徽则尝试运⽤极限的⽅法对其进⾏解释,并将其记录在了《九章算术注》中。刘徽欲证明阳⻢体积和鳖臑体积之⽐为,⼜由于堑堵的体积是⻓⽅体的⼀半,由此即可推出阳⻢体积公式为其中分别为⻓⽅体的三边之⻓。刘徽认为,命题应对任意⻓⽅体都成⽴,这个⽐率称为“不易之率”,意即对所有⻓⽅体都保持不变的⽐率。

刘徽⽤⼀种极限的过程对他的命题给出了⼀般的证明。若分别⽤记每个⼩阳⻢和⼩鳖臑的体积,则有其中,与的⽐是未知的。但实际上,我们可以如法炮制,继续对每个⼩阳⻢和⼩鳖臑进⾏同样的分割,就有由此,对第次分割,其中在“已知”部分中总有,⾄于“未知”部分的体积,刘徽指出,随着分割得越来越细,它将⽆限趋近于0。刘徽对这⼀过程的描述是:“半之弥少,其余弥细,⾄细⽈微,微则⽆形,由是⾔之,安取余哉?

”将这⼀过程⽆限进⾏下去,在极限的情况下就得到了“不易之率”:。刘徽的极限⽅法在今天看来也⼗分精彩,在刘徽的观念中,分割到最后的结果得到⼀个“⾄细”,“⽆形”的东⻄,这⼀点可以从他的思想渊源上得到解释。实际上,刘徽受墨家的思想影响很深。墨家曾提出“⾮半弗斫”命题:“⾮半弗斫,则不动,说在端。

”这是认为对于给定⻓度的⽊棍,做连续取半的分割操作,到了不能再取半时,就不能⽤⼑砍了,这时就会出现不动的“端”,这⾥的“端”指的就是没有⼤⼩,量度为零的东⻄。其次,从道家思想看,刘徽这⾥⽤的“微”和“⽆形”两个概念,在刘徽所处的时代之前就已有密切的联系。

《庄⼦·秋⽔》中云:“河伯⽈:世之议者皆⽈:“⾄精⽆形……”北海若⽈:“……夫精,⼩之微也;夫精粗者,期于有形者也;⽆形者,数之所不能分也;不可围者,数所不能穷也”。这⾥,“微”和“⽆形”通过概念“精”联系起来,体现了道家强调精微细⼩到极点就“⽆形”的极限思想。

刘徽运⽤同样的思想⽅法提出了著名的“割圆术”,通过不断倍增圆内接正多边形的边数来接近圆,从⽽计算圆周率:“割之弥细,所失弥少,割之⼜割,以⾄于不可割,则与圆周合体⽽⽆所失矣。”刘徽⼤胆地直接⽤⽆限过程来处理数学问题,这与中国古代数学注重实际讲求直观的传统相⼀致。从中国古代哲学思想的渊源来看,刘徽在⽆限过程的运⽤上和墨、道两家也是⼀脉相承的。

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