我國古代的數學是怎樣描述立體幾何的?

時間 2021-05-06 13:54:51

1樓:古水

古代能用上立體幾何的不外乎建築、河防、糶糴、庫管、天文,這些領域的書中多多少少會涉及立體幾何的內容,各代籌人都有此類著作留下,比如最出名的劉徽《九章算術》,還有王孝通《緝古算經》、朱世傑《四元玉鑑》等。下面以《九章算術》為例:

劉徽《九章算術》中記載了很多體積解法,比如少廣篇第十九問用到的「開立方」法:

今有積一百八十六萬八百六十七尺。(此尺謂立方之尺也。凡物有高深而言積者,曰立方。)問為立方幾何?

答曰:一百二十三尺。

……開立方(立方適等,求其一面也。)

術曰:置積為實。借一算步之,超二位。(言千之面十,言百萬之面百。)

議所得,以再乘所借一算為法,而以除(再乘者亦求為方冪,以上議命而除之,則立方等也。)

除已,三之為定法。(為當復除,故豫張三面,已定方冪為定法也。)

復除,折而下。(復除者,三面方冪已皆自乘之數,須得折議,定其厚薄耳。開平冪者方百之面十,開立冪者方千之面十。據定法已有成方之冪,故復除當以千為百,折下一等也。)

以三乘所得數置中行。(設三廉之定長。)

復借一算置下行。(欲以為隅。方立方等未有定數,且置一算定其位。)

步之,中超一,下超二位。(上方法,長自乘而一折,中廉法,但有長故除一等。下隅法,無面長故又降一等也。)

復置議以一乘中(為三廉借冪也。)

……【略】

「開立方」指已知乙個正方體體積,求其稜長,實際上就是求解立方根。具體思路是:

比如解答第十九問:

「積」,即被開方數為1860867,則 可以被分割為a+10b+100c等。

《九章算術》還記載了「開立圓術」,用於計算球體體積。古代稱圓形為「圜」或「平圓」,稱球體為「丸」或「立圓」。

開立圓術曰:置積尺數,以十六乘之,九而一,所得開立方除之,即丸徑。

即 劉徽對這個「開立圓術」有所懷疑,並提出自己的想法,即「牟合方蓋」(牟,通「侔」,相同之意。蓋,圓蓋。)劉徽找到了正確的球體積演算法思路,但並未給出證明。

立方斜剖「立方」可以得到兩個「壍堵/塹堵」。

壍堵「壍堵」是指兩底面為直角三角形的三稜柱。沿著BCD'面斜剖「壍堵」,可以得到乙個「陽馬」和乙個「鱉臑」。

陽馬「陽馬」是指底部方形,一條側稜與底面垂直的四稜錐體。

鱉臑「鱉臑」是指四個面都是直角的錐形體。

方亭正四稜臺稱作「方亭」,豎著切去方亭兩個邊角塊,把它們合在一起是「芻甍」。

芻甍「芻」是用草製成的,「甍」是屋頂,草房房頂就是「芻甍」。

芻童「童」就是削去頂部,切掉「芻甍」的頭部,便是「芻童」,即平截楔。

此外,還有「羨除」、「方堢壔」、「圓堢壔」、「方錐」、「圓錐」、「曲池」、「盤池」、「冥谷」、「阬」、「三角垛」、「四隅垛」等一堆專業名詞。

羨除方堢壔(正四稜柱)

圓堢壔(圓柱)

方錐圓錐

圓亭曲池

盤池(倒過來的芻童)

冥谷、阬(溝)

參考書籍

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1、白尚恕《九章算術注釋》,科學出版社,2023年

2、吳文俊、李兆華《中國數學史大系》第四卷,北京師範大學出版社,2023年

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