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圆柱容锥、容球与牟合方盖-----阿基米德与祖冲之父子

圆柱容锥、容球与牟合方盖-----阿基米德与祖冲之父子

作者: 云中山 | 来源:发表于2020-01-13 15:20 被阅读0次

   

圆柱容锥、容球与牟合方盖-----阿基米德与祖冲之父子

      阿基米德的贡献在于几何学和物理学,而祖冲之父子则是得到圆周率相对精确数值和发现球体积公式,把他们拿在一起相提并论,还是很有一些意义的。

      祖冲之父子的年代并没有阿基米德早,是南北朝时代人,晚出生了六百多年,然而这丝毫不影响他们的伟大,因为科学家的贡献是没有可比性的,他们的发现方向还有方法是不同的。

      他们都独立得出了球体积公式,然而方法还是大不一样的,由此也可以顺道对比一下东西方科技发展的脉络,有哪些不同,以及如何造成了后世越来越大的社会文化差异。

      相比起来,阿基米德的方法更简洁漂亮,这里并没有贬损我们的民族科学家之意,科学没有国界,一直活在虚妄的优越之中,不承认人家的优点,反而不客观,对现实状况也不利。

      事实上,中国古代以来,关于中国为什么一直人文强而理工弱,以至于近现代积贫积弱,几近灭亡,从这一小小的对比之中,也可以管中窥豹,瞅见端倪。

      阿基米德的巧妙之处是用到了圆柱容球。

      我们的小学数学六年级课本上,有一个与此类似的公式和证明方法,即圆柱容锥,方法是试验法,此法实际上并不严谨,是先预测结论,再试验验证,得到的结论是等底等高的圆柱体体积是圆锥体体积的三倍,或圆锥是等底等高圆柱体积的三分之一,当然这个结论在现代有严谨的微积分证明。

      显然,球体积公式的推导过程,一点也不简单,甚至经历了几代人、数百年的漫长过程,直到东西方分别想到了不同的绝妙的辅助办法。

      阿基米德就是借助于圆柱,想到了圆柱容球。

      他证明了球体积是紧密贴合圆柱体体积2πr³的三分之二,由此也就得到现在的球体积公式,4/3πr³。

      阿基米德的贡献,其实远不止这个,他还是浮力定律的发现者,而我们同时期是曹冲称象,只有定性,而没有深入挖掘出背后的自然规律-----浮力定律,奠定了流体静力学的基础。

      同时,阿基米德还系统严格地证明了杠杆定律,为力学之开端。

      这两条都为传统力学之肇始,传统物理学由此开始开始发展。

      但阿基米德自己最得意的发现,则是圆柱容球,也就是球体积的发现过程,以致于后来让人刻到自己墓碑上。

      可见,他的数学主要转化为现实的物理应用上。

      祖冲之则是借助于双圆柱相交,牟合方盖,父子接力,也同样得到了球体积公式。   

      在前人刘徽的割圆法基础之上,祖冲之达到了圆周率的小数点后七位小数,祖暅则是在父亲的影响熏陶下,用牟合方盖的办法得到了同样的球体积公式。

      牟合方盖则是十字交叉的双圆柱相交容纳最大球体,这当然比一个圆柱容球更为复杂,却可以得到球体积公式的严格几何证明,这种理想化的证明方法,也成为了后来许多数学和物理学经典方法。

      而且更为有价值的是,祖暅由此得到了祖暅原理-----几何体体积计算的最重要定理,甚至也可以类比到二维平面面积的计算,如平行四边形、梯形、三角形面积公式的推导。

      东西方两个相似方向的科学家,社会境况不同,后世名声和待遇竟然如此不同。

      个人感觉,在求球体积这一问题上,阿基米德的办法更简洁,高效,现代更可以拿出漂亮的几何证明,即半圆柱体体积等于内部半球体积与等底等高圆锥体积之和,从而无需用到相对复杂的牟合方盖。

附:

关键词:牟合方盖,祖暅原理,圆柱容锥,圆柱容球,立方容球

    (阿基米德在生前曾经发现一个有趣的现象,将一个球放入圆柱内,这个球在圆柱里要顶天立地,四处碰边,这个球的体积是圆柱的2/3,表面积也是2/3)。

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思考题:

证明半方容半球之差为锥

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