地中海沿岸嘅超級英雄 (3)
嚟到今期最後一篇,要認真啲寫先得。眾所周知,連登仔出咗名難服侍,如果啲數學撚負皮我,呢個系列就好難繼續落去。不過,最驚都係阿基米德條撚樣報夢屌鳩我嘛。
前一篇曲線求證咗圓形面積,今次輪到圓球體體積。論證呢個結果之前,我哋需要3個前設哩。
前設1 - 圓錐體體積 Volume of Cone
史學撚估計年輕的阿基米德曾經到過亞歷山大港留學,而且極有可能响歐幾里得數學院學習。所以肯定條博學撚對歐幾里得嘅《幾何原本》非常熟悉。
《幾何原本》中,第十二章命題7,證明咗:"三角柱的體積等於同底同高的三角錐的三倍。"雖然冇寫到明,但係已經間接求得三角錐的體積喲。
然後,透過「窮舉法」,即係狂咁塞啲三角錐體入個圓錐體裡面,塞到啱啱好就會得出圓錐體體積:
前設2 - 等冪等積原理 Cavalieri's Principle
嗱,親中嘅就叫呢個原理做”祖暅原理”。反共嘅就叫”卡瓦列里原理”囉。(編按:呢度啲人好偏激)
南北朝嘅時候,祖沖之同佢個仔祖暅提出呢個原理,然後求得牟合方蓋的體積,進而算出圓球體體積。
啥,牟合方蓋係咩傢伙?唔睇圖都幾難解釋清楚:
祖氏父子嘅方法比較迂迴,呢度唔詳細講,不過個原理就同700幾年前,古希臘啲數學撚採用嘅概念差不多:「緣冪勢既同,則積不容異。」(編按:摘自《綴術》,已佚失)
睇唔明?試吓英文版-
Cavalieri's principle:The volumes of two objects are equal if the areas of their corresponding cross-sections are in all cases equal.
即係話,
如果兩個幾何體嘅所有橫切面嘅面積都相同,咁呢兩個幾何體嘅體積都會係相同。
前設3 - 畢氏定理
呢個唔撚駛我解釋啦啩。
有咗呢3個前設,大家可以數學撚上身,開始推論圓球體體積。
呢項結果最先記載於《球與圓柱論》上卷命題34,當時條撚樣係咁寫:"任一圓球體體積等於圓錐體體積的4倍,該圓錐體以圓球的大圓為底,高為球的半徑。"
轉換成連登仔都睇得明嘅符號,就係:
首先,想象兩個幾何體。第一個,係半徑 = r 嘅圓球體(其實上半球已足夠);第二個,係半徑 = 高 = r 嘅圓柱體,再從中挖空一個圓錐體。
留意幾何體二號嘅體積係:πr^3 - ⅓. πr^3 = ⅔. πr^3
跟住,我哋用等冪等積原理去證明半個幾何體一號,即係上半球嘅體積=幾何體二號嘅體積。
由上半球開始先,搵任何一層離圓心垂直高=h嘅橫切面,咁好明顯係一個比大圓細小小嘅圓形;當佢嘅半徑=r’。
根據畢氏定理,r’ = sqrt (r^2 - h^2),亦即細圓形橫切面面積 = π(r^2 - h^2)。
照辦煮碗,由幾何體二號嘅圓錐中心搵任何一層垂直高=h嘅橫切面,就係一個甜甜圈嘅形狀。因為圓錐體本身係等底等高,所以中空嘅圓形半徑=h。
甜甜圈橫切面面積 = π.r^2 - π.h^2 = π(r^2 - h^2)。
上半球同幾何體二號嘅所有橫切面面積都相同,咁呢兩隻嘢嘅體積就係相同喔。
上半球體積 = 幾何體二號體 = ⅔. πr^3;
登登登櫈,換句話講:圓球體體積 = 4/3. πr^3
多謝大家連日來正皮負皮支持,歡迎數學撚隨時樓下挑機。呢個post呃夠500個like就開新一期,唔夠既話,得閒再開。拜拜。
利申:呢篇啲諧音、懶音、鄉音係我故意加上去嘅,鑑於學術台裡頭「政治正確」同「自我審查」等問題嚴重,而呢啲立場我不能苟同;所以最後—