微積分觀點下的卡瓦列裡:不可分量原理

2021-01-08 電子通信和數學

卡瓦列裡(Bonaventura Cavalieri,1598~1674)在其《用新的方法促進連續不可分量的幾何學》一書中提出的不可分量原理,是從古希臘「窮竭法」向近代積分論的過度,卡瓦列裡模糊的不可分量概念對牛頓的「流數」和「萊布尼茲」的「微分」也不無啟發。事實上,《不可分量的幾何學》在出版後多年中,處阿基米德著作外,是數學家們研究幾何中無限小問題引用最多的一本書,對微積分的建立有重要影響。

卡瓦列裡出生於義大利米蘭,卒于波倫亞,是一個耶穌會教士,也是伽利略(1564~1642)的學生,1629年起任波倫亞大學數學教授。《用新的方法促進連續不可分量的幾何學》就是他為應聘該教職而提交的著作,以下是關於不可分量原理的論述。摘自該書第7卷,

如果兩個平面圖形夾在同一對平行線之間,並且被任何與這兩條平行線保持等距的直線截得的線段都相等,則這兩個圖形的面積相等。類似地,如果兩個立體圖形夾在同一對平行平面之間,並且被任何與這兩個平行平面保持等距的平面截得的截面都相等,則這兩個立體圖形的體積相等。

用新的方法促進連續不可分量的幾何學

在沒有代數和微積分的時代,卡瓦列裡用了非常複雜的幾何原理來描述來證明這個定理,苦澀難懂。我們在此不做過多的贅述,我們就用現代的微積分來闡述這個定理:

學過數學分析的朋友都知道定積分應用中簡單的體積計算:已知從x=a,到x=b橫截面積A(X)的立體,如果A(X)可積,那麼它們的體積A從a到b的積分

則上述的卡瓦列裡原理的現代版就是:

因為對這兩個立體來說橫截面積函數A(X) 和區間(a,b)是相同的。

卡瓦列裡原理最有名的應用就是求球的體積,可謂最直觀最簡潔。

這裡用一個其中一個邊是2πr,底面是r的正方形 組成的四稜錐,來作為和半圓等高的圖形,然後用一平面截取半圓和這個四稜錐,截取的梯形面積正好等於所截取的圓的面積,就可以得到圓的體積。

相關焦點

  • 不用微積分算個球?祖𣈶原理PK卡瓦列裡原理,原理在左方法在右
    他在1635年發表的《不可分量幾何學》被譽為數學史上的裡程碑.提出了如下原理,被命名為卡瓦列裡原理:(1)如果兩個平片處於兩條平行線之間,並且如果平行於這兩條平行線的任何直線與這兩個平片相交,所截二線段長度相等,則這兩個平片的面積相等。
  • 卡瓦列裡原理 阿基米德對球體積的計算
    卡瓦列裡原理平面內有兩個圖形被夾在兩條平行線之間,若任意一條與兩平行線方向相同的直線在兩圖形內部截得的線段長度相等從西方這條數學發現主線來看,卡瓦列裡是發明微積分的牛頓和萊布尼茨的先驅。而在中國,則在早於卡瓦列裡1100年前,祖𣈶就提出了這一原理:「冪勢既同,則積不容異」。我們稱之為祖𣈶原理。
  • 原來數學大神們是這樣想問題的——圖說微積分發明之謎
    其中,在「微積分的制定與分析的形成」一章中,收錄有克卜勒、卡瓦列裡、費馬和沃利斯等先驅們的啟發性著述,以及牛頓和萊布尼茨發明微積分時的詳細文獻資料。這使得我們可以一睹先賢的風採,進而了解歷史上偉大的數學家們是怎樣思考問題的。
  • 我想和你一起,來一次說走就走的微積分之旅
    你也許聽說過微積分改變世界的重要性;聽說過微積分駭人聽聞的掛科率;也聽說過隨之而來的「高數老師帶著我們在知識的海洋裡遨遊,最後只有他自己上了岸」這類的段子。但是它真的像你所見的那樣嗎?現在,這是一次讓你步入微積分大門的絕佳機會。 微積分是微分學與積分學的統稱,它是一件數學工具。
  • 我國古代數學,距離微積分有多遠?是否摸到微積分的門檻?
    意思是:所謂「窮」,就是相當於用尺子去度量區域時遇到前面容不下尺子的情況。這時連一尺也容不下了,就叫「有窮」;無論怎麼度量總是遇不到這種情況,就叫「無窮」。【經下】73:無窮不害兼,說在盈否。「割之彌細,所失彌少,割之又割,以至於不可割,則與圓合體,而無所失矣」——劉徽劉徽割圓術劉徽的割圓術與阿基米德的割圓術思想是一致的,這兩位偉大的天才,儘管他們天各一方、時隔數百年,但卻有完全相同的方法。
  • 數學家與微積分的前世今生-九
    他在數學上的成就不比職業數學家差,他似乎對數論最有興趣,亦對現代微積分的建立有所貢獻。 他被稱作「業餘數學家之王」。費馬獨立于勒奈·笛卡兒發現了解析幾何的基本原理。《平面與立體軌跡引論》中道出了費馬的發現。他指出:「兩個未知量決定的—個方程式,對應著一條軌跡,可以描繪出一條直線或曲線。」16、17世紀,微積分是繼解析幾何之後的最璀璨的明珠。
  • 我國古代數學的發展,距離微積分還有多遠?是否會有更大的進步?
    說到微積分思維的萌芽,首先要提到極限思維的萌芽,因為所有的微積分思維都是極限思維的根源。從公元前7世紀開始,中國開始萌芽於思想的極限。《老子》和《莊子》在哲學思維和寫作上都包含有限分離論和有限思維論。在公元前四世紀,墨子,在限制了他的著作「墨經」中提出無限無盡的,無限可分不已,無限永無休止的拖欠的觀點。自然主義哲學,數學,倫理學等方面的這種思想觀點進行疏散區別。例如:經文:「沒有地方窮,窮得沒有地方。」 「曰:窮:多佛吃,是有區別的;」 莫容「腳,無盡無窮的含義:所謂的。」
  • 微積分原理之辨析
    本文簡要梳理了微積分發展史以從歷史的角度認識微積分並不是完美的,接著對於博文《也談微分的本質--兼評丁小平〈微分之講授〉》的觀點談幾點看法;最後簡介丁小平先生的工作。1.丁小平工作簡介丁從學科結構、邏輯矛盾、歷史來源等不同角度系統地論證了現行微積分原理的錯誤,指出了人類長期以來建立不起來不含錯誤的微積分原理的原因,並重建數學的新數-形模型,進而重建了新微積分原理。
  • 微積分的發現是人類精神的最高勝利
    在微積分誕生和發展時期,一批偉大的數學家做出了傑出的貢獻,例如,數學家伽利略,克卜勒,卡瓦列裡,費馬,巴羅,牛頓,萊布尼茲等等。科學的重大進展總是建立在許多人一點一滴工作之上,但是,常常需要有一個人完成「最後的一步」,這個人需要具有敏銳的洞察力,從紛亂的猜測和說明中整理出前人有價值的思想,需要有足夠想像力,把這些孤立的「碎片」組織起來,並且能夠大膽地制定一個宏偉的體系。
  • 人類究竟需要什麼樣的微積分原理
    我主張廢棄現行微積分原理和重建滿足數學發展要求的新微積分原理,這不僅因為:第一,現行微積分原理結構扭曲;第二,細微之處問題甚多;第三,這個微積分原理邏輯錯誤也多。而且,還因為這個微積分原理幾乎沒有起到原理的作用,又何況數學也需要建立新的數-形模型了。
  • 古今數學思想:大數學家費馬是如何解決曲線X^n下的面積的?
    如下是X^2,X^3,X^4的函數圖形,現在要求這些曲線下的面積,這是早期數學家要面對的問題,都知道冪函數等於我們需要計算冪函數圖形下的面積。用現代數學符號表示在牛頓和萊布尼茲發明微積分之前,即數學家理解積分與導數之間的關係之前,就已經解決了這個問題。在發現微積分之後,即現在所說的微積分基本定理,答案很簡單在阿基米德(死於公元前212年)之後,卡瓦列裡(Cavalieri)(約1630年)是第一個成功解決類似問題的人。
  • 阿基米德是如何發現微積分思想的?
    他的許多成就包括1.他創造了力學和流體靜力學(包括槓桿定律、地心引力和所謂的阿基米德原理等概念,阿基米德原理適用於流體中的物體)。>圖1:根據阿基米德原理阿基米德的證明載於他在公元前3世紀所寫的論文《拋物線的正交》(在現代微積分由巴羅、笛卡爾、費馬、帕斯卡、沃利斯、卡瓦列裡、格雷戈裡、牛頓和萊布尼茲等幾位偉大的數學家發展出之前2000年)。
  • 阿基米德是如何發現微積分思想的?
    他的許多成就包括1.他創造了力學和流體靜力學(包括槓桿定律、地心引力和所謂的阿基米德原理等概念,阿基米德原理適用於流體中的物體)。圖1:根據阿基米德原理,浸入流體的物體所受的向上浮力等於物體所排開的流體的重量。
  • 微積分出現後,人類就再也擋不住了!
    正是這一數學分支使得人們喜愛的動畫像人一樣行動;正是這種計算讓母親們知道了嬰兒的性別或健康狀況;正是微積分使我們能夠在微波爐裡加熱東西;它幫助人們在高德地圖上到達目的地。愛因斯坦把他的方程式寫在筆記本上以改變世界,這就是微積分。它把數學、科學和社會學結合起來,幫助創造了我們生活的現代世界。這就是為什麼伏爾泰把微積分稱為「精確計算一種無法想像其存在的事物的藝術」。