2.体积计算
《九章算术》商功章收集的都是一些有关体积计算的问题.但是商功章并没有论述长方体或正方体的体积算法.看来《九章算术》是在长方体或正方体体积计算公式:V=abh的基础上来计算其他立体图形体积的.
《九章算术》商功章提到城、垣、堤、沟、堑、渠,因其功用不同因而名称各异,其实质都是正截面为等腰梯形的直棱柱,他们的体积计算方法:“术曰:并上、下广而半之,以高若深乘之,又以袤乘之,即积尺”.这里上、下广指横截面的上、下底(a,b)高或深(h),袤是指城垣……的长(l).因此城、垣…的体积计算术公式
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刘徽在注释中把对于平面图形的出入相补原理推广应用到空间图形,成为“损广补狭”以证明几何体体积公式.
刘徽还用棋验法来推导比较复杂的几何体体积计算公式.所谓棋验法,“棋”是指某些几何体模型即用几何体模型验证的方法,例如长方体本身就是“棋”[图1-32(1)]斜解一个长方体,得两个两底面为直角三角形的直三棱柱,我国古代称为“堑堵”[图1-32(2)],所以堑堵的体积是长方体体积的二分之一.
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再解开右后边的堑堵[图1-32(3)].得一个底面为长方形而有一棱和底面垂直的四棱锥(古代称之为“阳马”)和一个底面为直角三角形而有一棱和底面垂直的三棱锥(古代称之为“鳖臑”(臑音闹)[图1-32(4)]这个阳马又可以对分为两个“鳖臑”[图1-32(5)],如果原长方体为正方体的话,则极容易看出:由一个堑堵分解出来的三个鳖臑是等积的.刘徽可以证明在长方体的情况下,由一个堑堵分解出来的三个鳖臑仍然是等积的.于是阳马体积应是长方体体积的三分之一.
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这样我们可以把正四棱锥(古代称为“方锥”)分解为四个阳马,因此方锥体积为
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正四棱台(古代称为“方亭”)可分解为一个正四棱柱,四个堑堵和四个阳马,因此
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《九章算术》商功章还有圆锥、圆台(古代称“圆亭”)的体积计算公式.甚至对三个侧面是等腰梯形,其他两面为勾股形的五面体(古代称“羡除”)[图1-33(1)],上、下底为矩形的拟
柱体(古代称“刍童”)以及上底为一线段,下底为一矩形的拟柱体(古代称“刍甍”)(甍音梦)[图1-33(2)]等都可以计算其体积.