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祖暅求积法

祖暅求积法
祖暅(音gèng),一名祖暅之,是祖冲之的儿子,他的活动时期大约在公元504—526年.祖氏父子在数学和天文学上都有杰出的贡献.
祖暅的主要工作是修补编辑祖冲之的《缀术》.他推导球体积公式的方法非常巧妙.
根据中国算书《九章算术》中李淳风的注释,下面我们使用现代的术语,并将原来的图形略加修改,把祖暅当时推导球体积公式的方法介绍如下:
.底面OABC是一个正方形,边长为r(图2-18).高作一个几何体V
1
取一点S,过点S与底面平行的截面为SPQR,设它的边长为a,OS为h,则截面面积a2=r2-h2.
另取一个边长为r的正方体V
2
(图2-19),连结O′D′,O′C′,O′A′,
锥体O′-A′B′C′D′记作V
3,V
2
-V
3
是正方体O′D′挖去锥体O′-A′B′C′
D′剩下的几何体.下面来证明
V 1=V
2
-V
3

设平行于底面与底面距离为h的平面,截V
2
的截面是正方形P′TS′M,面
积等于r2,截V
3
的截面是正方形Q′TR′N,面积等于h2(因为Q′T=O′T=h),所以这两个正方形的差形成曲尺形P′Q′NR′S′M,它的面积等于r2-h2.
比较V
1与V
2
-V
3
在等高(h)处的截面,它们的面积都是r2-h2,因此体积相等,
即V
1=V
2
-V
3

祖暅原理的原文是“幂势既同,则积不容异.”“幂”是截面积,“势”是
几何体的高.意思是:两个同高的几何体,如果与底等距离的截面积总相等,那么几何体的体积相等.这就是现在说的:夹在两个平行平面间的两个几何体,被平行于这两个平面的任意平面所截,如果截得的两个截面的面积总相等,那么这两个几何体的体积相等.
积为V
4(是未知数).和V
1
比较,在高h处的截面积C″EF是以a为半
祖暅提出的“幂势既同,则积不容异”,及“体积之比等于对应截面积之比”,在这里是当作公理使用.提法“幂势既同,则积不容异”,在西方通常叫做“卡瓦列利原理”(Cavalierisches,Prinzip).卡瓦列利[米兰Milan(现意大利城市)人]在他的名著《连续不可分几何》中提出这一原理,这本书出版于1635年.。

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