解放军文职招聘考试《绳法经》中的数学
《绳法经》中的数学
《绳法经》中最重要的内容是祭坛的建造问题,作者利用绳子和竹杆给出固定的测量法则.其中的数学知识比较零碎,但足以说明在成书年代印度数学家已有很出色的成就了.
祭坛的建造遵照一系列严格的指令,其方向必须要顾及东西南北,地基必须具有标准的形状,例如边长之比为已知的等边梯形.所有祭坛的地基分为两大类,一类是面积成整数比的正方形,另一类则是等积的各种多边形.这需要相应的几何作图知识---直角、正方形、整数边直角三角形和梯形的作法,以及从面积为a的正方形出发作面积为na的正方形,把直角三角形改为等积的正方形等等,在这里毕达哥拉斯定理得到广泛应用.
《绳法经》中利用了下列几种具整数边长的直角三角形及其相似形:
3 4 5
5 12 13
8 15 17
7 24 25
12 35 37
15 36 39
以及与这些三角形等积的梯形.《绳法经》中介绍了如何用线绳和竹杆拉出直角.
利用毕达哥拉斯定理可以由已知正方形作面积为其2倍、3倍以至n倍的正方形.进一步作面积等于两个不等积正方形面积之和a2+b2的正方形.阿帕斯坦巴把作图法则叙述为:“拼合两个不等积正方形,在大正方形的边上截取等于小正方形边长的线段,经过此平面区域斜拉绳子,则两个正方形合在一起.”图5.1可以清楚显示法则的含义,此处
AB2=a2+b2
《绳法经》中还有求面积等于两个已知正方形面积之差的正方形的问题.为此,以点A为中心,以大正方形边长为半径在底边CB上截取线段CD,则
CD2=b2-a2.(图5·1)
毕达哥拉斯定理还可用来把已知矩形改为等积的正方形.首先在边长AB=a,AD=b(图5.2)的矩形中分割出正方形ABFE,使其面积等于a2;用直线HG平分余下的部分EFCD;在BF上作矩形BIKF使与矩形EFGH全等,则原矩形ABCD与磬折形AIKFGHA等积,它的面积等于两个面积已知的正方形AILH与FKLG之差,这就完成了此问题的作图.代数地表示这种作图法,则为
如果在图5.1中引进辅助线段,如图5.3所示,那么就得到一个直观上表示毕达哥拉斯定理的图形.斜边上的正方形的面积由S,Ⅲ,Ⅳ和s组成,而三角形Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ等积,由此可以推测,《绳法经》时代的印度数学家已经知道毕达哥拉斯定理的证明.可能是首先发现了整数边的特殊情形后才得到一般定理证明的,但是并不排除从其他民族那里得到这一结果的可能性,只需注意倍正方形问题与古希腊倍立方体问题的相似性.传说后者也是与修筑祭坛有关,究竟是巧合还是有什么相互联系,还有待于进一步发现史料.
具有整数边直角三角形的作法引起后世印度学者的兴趣,婆罗摩笈多和马哈维拉建立了一般的法则.这在中国和希腊是早已知道的事实.在印度,这个问题始终与建筑学方法联系在一起.
在这个表达式中使用了单位分数,而分母只重复使用3和4两个数字,其数值在1.4142157和1.4142156之间,精确度达到10-6.《绳法经》中没有说明如何得到这个独具匠心的表达式.这个表达式使我们联想到巴比伦人早就熟悉的迭代方法.由此推测,在《绳法经》时代印度学者和巴比伦学者之间可能已有某些联系.
为了把正方形祭坛改为圆形祭坛,或把圆形祭坛改为正方形的,《绳法经》建立了化方为圆和化圆为方的方法.作一圆使其与已知正方形等积,这就是化方为圆.其作法是这样的(图5.4):从已知正方形的中心O向边AB引垂线OP,使OP等于正方形对角线之半,并交AB于H.
化圆为方的方法有两种.一种相当于取正方形边长
那么相应的π=3.044.
在另一种方法中,相当于取正方形边长为
样,印度学者为了追求某种和谐性,用尽量少的几个整数表达边长与直径的关系.
毫无疑问,《绳法经》的作者们利用了化方为圆和化圆为方二者之间的相互联系.但是,他们并无意于深入研究圆的性质.在通常情形下,他们取π=3进行计算.
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