第四章 面積與體積
第三節 多面體體積
堤、溝、渠是水利設施,塹、城、垣是建築或防禦工事,其橫截面都是相等的梯形。設上、下廣是a、b,高(深)h,長l,《九章》提出的體積公式是V=½(a+b)hl。劉徽採用出入相補,將其變成寬½(a+b),長l,高h的長方體證明之(圖3)。

圖8 方亭

圖4 塹堵

圖3 塹之出入相補

圖12 堤防
顯然,複雜多面體體積的解決都要歸結到陽馬、鱉臑,正如劉徽所說:「不有鱉臑,無以審陽馬之數,不有陽馬,無以知錐亭之類,功實之主也。」(《九章算術·商功章注》)中國古代的多面體體積理論,由《九章》提出公式,劉徽完成證明,可以說基本完備。祖沖之父子可能將其推進到隋唐數學家看不懂的地步,由於《綴術》失傳,其詳情不得而知。就現有資料看唐宋無大的突破。唐初王孝通解決土木工程中更複雜的體積計算問題,都是《九章》已經討論過的多面體或其組合。《九章》的堤上下兩底平行,王孝通解決了一種上下底不平行的堤防,如圖12,它可以分解成一個堤與一個羡除,那麼,其體積就是兩者體積之和。金元治河著作《河防通議》給出其體積公式V=(1/6)[(2h1+h2)(a+b1)/2+(2h2+h1)(a+b2)/2]其中a為上底面廣,l為長,h1、h2分別為兩頭之高,b1、b2分別為兩頭下廣read•99csw.com。

圖10 芻甍
《九章》商功章提出了許多多面體體積的演算法,並在實際中使用了長方體的體積公式V=abh,對此,劉徽把它看成不言自明而未試圖證明。
《九章》給出其體積公式是V=(1/6)(a+b+c)hl。對這些立體的特殊情形,劉徽之前都用棊驗法,而對一般情形,棊驗法亦無能為力。劉徽將它們分解成有限個長方體、塹堵、陽馬、鱉臑,求其和而證明之。劉徽所補充的上述公式就是由此得出的。

圖9 芻童
塹堵是將長方體沿相對兩棱剖開所得的立體(圖4),其體積顯然為V=½abh。沿塹堵的一頂點與相對的棱剖開,一部分是底面為長方形,一棱垂直於底面的四稜錐,稱為陽馬(圖5),《九章》給出其體積公式V=(1/3)abh;一部分為四面都是勾股形的四面體,叫鱉臑〔nao鬧〕(圖6),其體積V=(1/6)abh。在a=b=h的情況下,人們用六個鱉臑或三個陽馬可拚成一個正方體,上述兩個公式是顯然的,這是棊(同「祺」)驗法。而當a≠b≠h時,棊驗法無能為力,必須用無窮小分割方法才能證明上述公式。這是劉徽的重大貢獻,將在第十一節中介紹。https://read•99csw•com

圖6 鱉臑

圖11 羡除

圖7 方錐

圖5 陽馬
方錐的體積與陽馬相同(見圖7)。今之方台,古代稱為方亭。設上方邊長a,下方邊長b,高h(圖8),《九章》給出的公式是V=(1/3)(a2+b2+ab)h。劉徽又給出等價的公式V=(1/3)(b-a)2h+abh。芻童是草垛,盤池是挖的水池,冥谷是挖的大墓穴,都是上、下底面為長方形的稜台體(圖9)。漢代帝王的陵墓都是芻童形。設上底為a1×b1,下底為a2×b2,高h,《九章》給出的體積公式是V=(1/6)[(2a1+a2)b1+(2a2+a1)b2]h。劉徽又提出兩個等價的公式V=(1/3)(a2-a1)+(a2-a1)h+½(a2b1+a1b2)h和V=(1/3)[a1b1+a2b2+½(a2b1+a1b2)]h。芻甍也是草垛,形狀像屋脊(圖10)。設底面為a2×b2,上長b1,高h,《九章》給出其體積公式V=(1/6)(2b2+b1)ha2。劉徽又給出等價的公式V=(1/3)(b2-b1)ha2+½b2a2h。羡〔音yan,通埏〕除是墓道,它是一種三面為等腰梯形(其中兩面互相垂直)而兩側面為三角形的楔形體(圖11)。設其三廣為a、b、c,高h,長l。九*九*藏*書