第四章:歐幾裡得和阿基米德

2020-12-05 德州阿布一諾

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歐幾裡得的《幾何原本》

這部書(《幾何原本》)已經基本囊括了幾何學從公元前7世紀的古埃及到公元前4世紀(歐幾裡得生活的時期)前後總共400多年的數學發展歷史。它不僅保存了許多古希臘早期的幾何學理論,而且通過歐幾裡得開創性系統整理和完整闡述,使這些遠古的數學思想發揚光大。

它開創了古典數論的研究,在一系列公理、定義、公設的基礎上,創立了歐幾裡得幾何學體系,成為用公理化方法簡歷起來的數學演繹體系的最早典範。

歐幾裡得所著的《幾何原本》大約成書與公元前300年,原書早已失傳。全書共分13卷。在15世紀末期,《幾何原本》是古登堡使用新印刷成書的第一批書籍之一。在今天,歐幾裡得的《幾何原本》是人類歷史上再版次數第二多的著作,僅次於《聖經》。

讓我們翻閱這部不朽之作的第一卷,歐幾裡得提出了以下5分公理:

(1)任意兩點都能夠定義一條線段。

(2)一條線段能夠向兩端無限延伸。

(3)給定一條線段,能夠畫出一個以該線段的一個端點為圓心,線段長度為半徑的圓。

(4)所有的角度都可疊加。

(5)若一條直線與兩條直線相交,在某一側的內角和小於兩個直角和,那麼這兩條直線在各自不斷地延伸後,會在內角和小於兩直角的一側相交。

π

公元前287年,阿基米德誕生於希臘西西里島敘拉古附近的一個小村莊,他將開創一種新的數學風格。他是人類歷史上最偉大的發明家、解題者,是那些具有提出全新的、革命性的的想法之能力的人物中的佼佼者。他發現了槓桿原理(即:動力×動力臂=阻力×阻力臂,用代數式表示為F1*L1=F2*L2。式中,F1表示動力,L1表示動力臂,F2表示阻力,L2表示阻力臂。)

相傳敘拉古赫農王讓工匠替他做了一頂純金的王冠。但是在做好後,國王疑心工匠做的金冠並非純金,工匠私吞了黃金,但又不能破壞王冠,而這頂金冠確又與當初交給金匠的純金一樣重。這個問題難倒了國王和諸位大臣。經一大臣建議,國王請來阿基米德來檢驗皇冠。

最初阿基米德對這個問題無計可施。有一天,他在家洗澡,當他坐進澡盆裡時,看到水往外溢,突然想到可以用測定固體在水中排水量的辦法,來確定金冠的體積。他興奮地跳出澡盆,連衣服都顧不得穿上就跑了出去,大聲喊著「尤裡卡!尤裡卡!」(意思是「找到了」。)

他經過了進一步的實驗以後,便來到了王宮,他把王冠和同等重量的純金放在盛滿水的兩個盆裡,比較兩盆溢出來的水,發現放王冠的盆裡溢出來的水比另一盆多。這就說明王冠的體積比相同重量的純金的體積大,密度不相同,所以證明了王冠裡摻進了其他金屬。

這次試驗的意義遠遠大過查出金匠欺騙國王,阿基米德從中發現了浮力定律阿基米德原理):物體在液體中所獲得的浮力,等於它所排出液體的重量。(即廣為人知的排水法

人們還傳說,阿基米德發明了一個反射鏡系統,能夠集中太陽的光線,灼燒那些靠近的地方軍艦。

有一天敘拉古城遭到了羅馬軍隊的偷襲,而敘拉古城的青壯年和士兵們都上前線去了,城裡只剩下了老人、婦女和孩子,處於萬分危急的時刻。就在這時,阿基米德為了自己的祖國站了出來。

阿基米德讓婦女和孩子們每人都拿出自己家中的鏡子一齊來到海岸邊,讓鏡子把強烈的陽光反射到敵艦的主帆上,千百面鏡子的反光聚集在船帆的一點上,船帆燃燒起來了,火勢趁著風力,越燒越旺,羅馬人不知底細,以為阿基米德又發明了新武器。就慌慌張張地逃跑了。

這些武器弄的羅馬軍隊驚慌失措、人人害怕,連將軍馬塞拉斯都苦笑承認:「這是一場羅馬艦隊與阿基米德一人的戰爭」、「阿基米德是神話中的百手巨人」。

在數學領域,也是阿基米德取得了人類在π值計算上的第一個偉大的進步。在阿基米德之前,也有人對圓周產生興趣,但是他們的研究方法往往缺乏嚴謹性。而阿基米德明白,計算π的準確數值是非常苦難的,甚至是不可能的事情。因此他所能做到的也只是計算出一個π的近似值,但是他的計算方法是非常卓越的。在經過不斷的演算,阿基米德得出的π的精確值應該在兩個數值之間的區域中,用現在的十進位的方法表示,就是3.1408和3.1428之間。

那麼阿基米德是用了什麼方法呢?

為了計算π的數值,阿基米德使用規則的多邊形來外接「內切」圓周。如圖1所示,一個直徑為1個的單位的圓周,它的周長為π,首先用一個正方形來外接這個圓。

圖1的正方形邊長為1(等於該圓的直徑),因此周長為4。因為該圓的周長比這個正方形的周長要小,由此可見,π是小於4的。

相反,如果在圓周中內切一個正六邊形,如圖2所示,該正六邊形是由6個邊長為0.5個大衛(直徑的一半)的等邊三角形構成的。於是,該正六邊形的周長為6*0.5=3.因此我們得出結論π的數值比3大。

到現在為止,數值在3和4區間,依然非常不準確。為了進一步縮小這個區間,我們現在有必要增加正多邊形的邊數。如果我們將正六邊形的每條邊一分為二,那麼將得到一個正十二邊形,比此前的正六邊形更靠近圓周。(圖3)

經過畢達哥拉斯定理幾何計算之後,我們得出結論,以上正十二邊形的周長約為3.11.於是,π的數值必然要大於這個數字。

為了將估值區間精準到小數點後3位,阿基米德重複了三次如上操作。他將正多邊形每一條邊長一分為二,然後分別獲得了正二十四邊形、正四十八邊形和正九十六邊形。

如圖4所示,因為現在正多邊形的每條邊都非常靠近內圓周,因此肉眼幾乎不可能分辨出來。這就是阿基米德得出π值大於3.1408這個結論的過程。接下來,通過在圓的外部做外接的正多邊形,並重複如上的過程,阿基米德得出結論,π值小於3.1428。

理論上來說,想要得出精準的π值,只要持續不斷的分割正多邊形,就會得到越來越精準的區間。

據說,公元前212年,羅馬軍隊入侵攻佔了敘拉古,然後,城牆被攻破之時,時年75歲的阿基米德還在專心致志的研究著他的集合問題,根本不知道周圍發生了什麼。當一位士兵從他身旁走過時,正在地上作圖的阿基米德漫不經心地說道:「別弄亂了我的圓」這位士兵惱羞成怒,一件刺穿了這位曾說過「給我一個支點,我就能撬起整個地球。」的古希臘學者的身體。

指揮這場攻城戰役的馬克盧斯將軍將殺死阿基米德的士兵當作殺人犯予以處決,他為阿基米德舉行了隆重的葬禮,並為阿基米德修建了一座陵墓,在墓碑上根據阿基米德生前的遺願,刻上了「圓柱內切球」這一幾何圖形。

夜幕降臨,當這位將軍抬頭矚目漆黑的夜空時,他又在想什麼呢?

相關焦點

  • 歐幾裡得與《幾何原本》(上篇)
    著名的《科學傳記百科全書》在「歐幾裡得」詞條的開篇這樣寫道:儘管歐幾裡得是有史以來最著名的數學家,其名字成為「幾何」的代名詞直至20世紀,關於其生平卻只有兩件事是已知的—甚至連這些也並非全無爭議:一件是他居於柏拉圖(卒於公元前347年)的學生與阿基米德(生於公元前287年)之間;另一件是他曾在亞歷山大港教過書。
  • 阿基米德對重心的研究,是從研究槓桿的平衡發展起來的
    從這些定理中我們可以十分清楚地看到,前三個定理是本章中講到的「給我一個支點,我將推動地球」故事中講的阿基米德作的關於槓桿平衡的實驗。第四條定理是本章中柯倫看到的阿基米德做的實驗,他在不停地用一組重物去代替一個重物,或者用一個重物去代替一組重物,只要它們的重心位置相同。
  • 《阿基米德原理》我來做
    我是歐幾裡得
  • 鄒平人劉徽可與歐幾裡得相提並論
    □王紅軍 李 偉 董乃德 報導  本報鄒平訊 6月22日至23日,紀念劉徽注《九章算術》1750周年國際學術研討會在鄒平舉行,來自國內外長期研究劉徽思想的40多位專家對劉徽的數學思想、率的古今運用等內容進行了研討,認為劉徽應該與歐幾裡得、阿基米德等相提並論。
  • 阿基米德撬動了整個地球,卻死於一個未畫完的圓
    --阿基米德 美國的E.T.貝爾在《數學人物》上這樣評價阿基米德的:任何一張開列有史以來三個最偉大的數學家的名單之中,必定會包括阿基米德,而另外兩個通常是牛頓和高斯。不過以他們的宏偉業績和所處的時代背景來比較,或拿他們影響當代和後世的深邃久遠來比較,還應首推阿基米德。
  • 阿基米德對物理學奉獻
    上帝的奴僕阿基米德,這位偉大的希臘數學家、物理學家、工程學家和發明家,這位站在當時古希臘科學金字塔頂峰的理論大神,這位沉迷於用數字與方程來描述事物,並用一生來思考物與物之間如何建立線性關係的先行者。從他這裡的解決問題的方法,當時的阿基米德對積分已經有一定的認識。
  • 歐幾裡得和他的《幾何原本》
    畢達哥拉斯派對古希臘的數學研究影響巨大,因為教義的狹隘性,使得古希臘人對數學基礎的研究小心翼翼,就連三四百年後的阿基米德在論證或描述定理時都會優先考慮選用幾何方式,而不是數學公式。也正是如此,幾何圖形成了古希臘數學家們的主要研究對象。
  • 第十章第二節《阿基米德原理》知識點歸納及中招真題講解
    阿基米德原理是《浮力》這章的重點同時也是難點,在中招考試中佔據著舉足輕重的作用,1.阿基米德原理:浸入液體裡的物體受到向上的浮力,浮力的大小等於它排開的液體受到的重力。如圖所示。2.公式表示:F浮=G排=ρ液gV排,從公式中可以看出:液體對物體的浮力與液體的密度和物體排開液體的體積有關,而與物體的質量、體積、重力、形狀、浸沒的深度等均無關。(實驗步驟以及實驗過程中用的控制變量法這些知識點也需要大家記憶)3.適用條件:液體(或氣體)。
  • 幾何之父-歐幾裡得的數學成就
    ,到現在我們也無法知道歐幾裡得的生日地點與一些關於生平的細節。到現在,我們所知道的歐幾裡得畫像都是出自於畫家的想像,並沒有找到關於歐幾裡得在世時所畫的畫像。他一生的成就有提出了五大公設,寫了關於透視,圓錐曲線的一些數論作品,被人們認為是歷史上最成功的教科書。  他是古希臘的數學家,世界最偉大的數學家之一,被人們成為「幾何之父」。歐幾裡得有一本數學著作,叫做《幾何原本》。歐幾裡得這名字是希臘文的中文化名,意思是好的名譽。
  • 古今數學啟迪:讀讀阿基米德的著作帶給我們的新視野
    阿基米德早年曾在亞歷山大跟隨歐幾裡得門生學習,他有許多學術成果是通過與亞歷山大學者的通信保存下來的。阿基米德貢獻涉及數學,力學,天文學等領域,傳世的數學著作不少於10種,包含許多創造性發現。阿基米德的著作將熟練的計算技巧與嚴格的證明融為一體,並包含了微積分思想的萌芽,被尊為古代數學中精確性與創造性的典範。
  • 幾何之父阿基米德的封神之路
    這裡的文學、數學、天文學、醫學的研究都很發達,阿基米德在此學習和生活了許多年,先後跟隨幾何學大師歐幾裡得,以及歐幾裡得的學生埃拉託塞和卡農學習。古希臘數學家——歐幾裡得有了大師的指點,阿基米德在學習上突飛猛進。
  • 著寫流傳2300年數學經典,被世人稱為「幾何學之父」——歐幾裡得
    生平資料歐幾裡得(Euclid)是希臘文Εκλεδη 的英化名字,意思是「好的名譽」。歐幾裡得生前活躍於亞歷山大圖書館,而且很有可能曾在柏拉圖學院學習。直到現在都無法得知歐幾裡得的生卒日期、地點和細節。直到現在,還沒有找到任何歐幾裡得在世時期所畫的畫像,所以現存的歐幾裡得畫像都是出於畫家的想像。
  • 能夠「撬起」地球的科學家阿基米德
    歐幾裡得學習幾何學。阿基米德的老師歐幾裡得當時亞歷山大城位於尼羅河口,是世界知識、文化貿易中心,學者雲集。阿基米德在這裡學習和生活了許多年,在這學習期間阿基米德還發明了螺旋泵,為農民解決了灌溉農田的一大難題。
  • 師從數學大師歐幾裡得,伽利略、達文西視他為楷模,慘遭士兵殺害
    文/一枚歷史迷他一生的成就無人能及,遍布物理學、數學、天文學、機械等與人類生活密不可分的眾多領域,他也是世界範圍內愛國主義的先驅,偉大的物理學家牛頓和愛因斯坦都從他身上汲取靈感和智慧,文藝復興時期的伽利略和達文西更是視他為楷模,他就是世界歷史上最偉大的科學家之一
  • 微積分先驅-阿基米德與他心中的數學王國
    ——阿基米德  阿基米德是古希臘的數學家、力學家。約公元前287年生於西西里島的敘拉古;約公元前212年卒於敘拉古。  阿基米德的父親是一位天文學家,自幼給予他良好的教育。阿基米德早年在亞歷山大跟隨歐幾裡得的學生學習,後來回到他的故鄉,但仍和亞歷山大的學者保持著密切的聯繫。  阿基米德的成果一直被推崇為創造性和精確性的典範。
  • 阿基米德多智近神,難怪是最偉大的數學家之一
    但是阿基米德,一個生活在兩千多年前的古希臘人,他又有什麼資格跟這幾位並稱為最偉大的數學家呢?確實,一般人想起幾千年前的數學,最常想到的可能就是歐式幾何。歐幾裡得編纂的《幾何原本》可能是數學領域最有名,流傳最廣的著作之一,也是今天中學幾何學的基礎。《幾何原本》名氣很大,但是裡面的知識點卻是在常人可以理解的範圍之內,只要中學努力學習,基本就可以掌握。
  • 幾何巨人:阿基米德
    第二次布匿戰爭時,羅馬大軍圍攻錫拉庫扎,阿基米德死於羅馬士兵之手。阿基米德對數學和物理學的影響極為深遠,被視為古希臘最傑出的科學家。美國數學史學家E.T.貝爾在其《數學大師(Men of Mathematics)》一書中將阿基米德與牛頓和高斯並列為有史以來最偉大的三位數學家。
  • 用一支點翹起地球的阿基米德
    阿基米德出生在古希臘敘拉古的貴族家庭,他的父親是天文學家兼數學家,他出生時古希臘的文化正在衰退,經濟文化中心逐漸轉移到亞歷山大城,阿基米德被父親送到埃及的亞歷山大城跟隨歐幾裡得的學生埃拉託塞和卡農學習。在這裡為阿基米德日後從事科學研究奠定了基礎。
  • 數學大師啟示錄——阿基米德
    可是阿基米德哪裡睡得著! 主人剛離開,他就悄悄出門,找到不遠處的圖 書館。看到那豐富的收藏,阿基米德心花怒放。用木棍把一張張紙莎草紙捲起來的一卷卷珍貴的手抄書,堆滿了一列列高大的書架。打開一卷,是希臘自然哲學家德謨克利特的幾何著作;再看一卷,是歐多克斯的天文學說 。啊!這些大卷就是歐幾裡得的《幾何原本》 ! 阿基米德看著看著,很快入了神,周圍的事物和時光的流逝,他全然不知覺了。
  • 阿基米德:一個超越時代的古希臘天才
    阿基米德是希臘數學家、科學家、機械工程師和發明家,被認為是古代最偉大的數學家之一。作為簡單機械之父,他引入了槓桿和複合滑輪的概念,以及從水鍾到著名的阿基米德螺旋等一系列發明。他還設計了用於戰爭的裝置,例如彈射器,鐵手和死亡射線。