中外科学家发明家丛书:阿基米德 (三)
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中外科学家发明家丛书:阿基米德 (三) 发布于:2013/12/24
    三、数学之神
      阿基米德不仅是个力学家,也是一个伟大的数学家,他在数学方面对人 类的贡献也是巨大的。      是他首先发现了圆周与直径的比例π为3.1419。在当时,人们并不知道 圆周率的计算方法,计算周长时,一般沿用古人“直径为一,圆周为三”这 个简单的经验进行类推,但计算圆的面积时,则使用古老的、不准确也不科 学的比较法。其一是“画出圆形,在圆内紧密地摆放一粒一粒的麦子,然后 与正方形中能摆放的麦粒数做出比较,用正方形的面积去确定圆的面积;另 一种是取一块质地均匀的薄木板,在其上画圆并把它裁割下来,称它的重量, 再与同重量的正方形做比较,以确定圆的面积。这两种方法虽然在实用上有 其价值,但在理论上不够严密和准确,而且计算方法古老而笨拙。阿基米德 通过长时期的思考和研究后,认为圆的直径与周长间有一固定比例,有了这 个比例,就可以通过计算求得圆的面积了。这个比例是多少呢?阿基米德按 照自己的思路,将圆周分割成多边形,他应用等边的6边形内接到圆中,得 到当时一直流行的算法“直径一圆周三”。为解决内接6边形的边与圆弧间 的误差,继续内接12边形、24边形、48边形、96边形、……,内接多边形 的边越多,越无限止地划出无限多的多边形,直到完全把内接多边形与外接 圆重叠为止。这样量出各多边形的边长,相加之和就是圆周的长。只可惜就 连阿基米德这么灵巧的手也只划出了内接 96边形,这样他求出                           10  圆周与直径的比例大于3       。然后他又用几天时间,划出圆的外切96边形                           71                                  1  ,算出圆周与直径的比例小于3       ,他把这个范围取做圆周率的近似值,                                  7               10          1 得到π值得3      <π<3   ;即3.1409 <π<3.1429 ,取其平均值,得出               71         7  圆周率π值为3.1419 ,与我们现在所知的π值误差极小。      阿基米德计算π值所使用的无限细分、接近圆周的办法,后人称之为“穷 竭法”,这种方法一直被后人使用了2000多年。后人计算出的圆周率,精确 度大大提高了,但使用的计算方法,仍是阿基米使用过的“穷竭法”。到了 18世纪,牛顿和莱布尼兹在这一巧妙思想方法的启发下,发明了微积分,由 此奠定了高等数学的基础。因此,牛顿——这个科学界划时代的巨人曾说过: 如果说我伟大的话,那也只不过是因为我站在巨人的肩膀上。      计算出圆周率π的值了,阿基米德又得出了计算圆面积的方法:圆的面       1 积=    r  ·圆周长,       2         1        1      即 r πd =    r  ·π·2r = πr2 。         2        2      阿基米德不仅是第一个计算出圆面积的人,也是第一个算出球表面积是 球上的大圆面积的4倍的人。他最得意的发现,要算是圆柱的体积了。他算 出圆柱的体积等于高度与底直径相等的内含球心体积的一倍半,为此,他要 求他的后人在他的墓碑上刻一个球内切于圆柱的图形,以纪念这一不朽的发 现。      阿基米德对数学的贡献还表现在他发明的一种简便的计数法。

     天上的星星地下的沙,可算是人们最难计数的东西了。阿基米德在《沙 粒的计算》一书中写道:有人认为,如果把地球想象成一个大沙堆,并在所 有的海洋和洞穴里填满沙子,一直到与最高的山峰相平,那末,这样堆起来 的沙子的总数是无法表示的。的确,在当时还没有我们现在使用的阿拉伯数 字,叙拉古人是用古希腊字母表示数目的,这种计数方法不但麻烦,而且有 限。当时数字的极限是“一万”,如果用字母A表示,那么要表示“1000万”, 就要写出1000个A字,而不象我们现在只用几个零,写成10 000 000就行 了,而且全世界的人都认识。随着科学的发展,人们对宇宙已有所认识,要 想表示宇宙有多大就成了一个难题,阿基米德努力探求用最少的符号来表示 很大数目的方法,终于提出一个具有重要意义的计数方法,即以“一万”作 为一个大单位,在此基础上继续计数,1个一万,2个一万,3个一万……直 到一万个一万,得到万万这个数,就是我们现在叫做“亿”的数,用现在的                      8 计数方法可表示为10,阿基米德将这个数作为第一级的数,称为“首数”,                                           16 在首数这个单位中又进行万万倍,得到10,称为“二数”,又将“二数”                  24 万万倍,得到10,作为“三数”,……在这个方法上依此类推,就可以简 便地表达出无穷大的数。这就是阿基米德在 《沙粒的计算》一书中告诉大家 的“用我的方法,不但能表示出占地球那么大的地方的沙子的数目;甚至还 能表示出占据整个宇宙的沙子的总数。这种计数方法突破了当时最大的数“一 万”的局限,大大简化了计算办法,使思路更容易集中、更清晰。后人在“亿” 这个新的计数单位的基础上,又发明了“兆”做为新的计数单位。随着科学 的发展和我们对未知世界的了解,又引进了“光年”这一新的计数单位表计 算宇宙间星与星的距离。“光年”即光(300000公里/秒)运行一年的穿行 距离,一光年等于几乎10万亿公里,这么庞大的数字,能这么简单地用“光 年”表示出来,并进行计算,正是得益于阿基米德《沙粒的计算》中所提出 的思路和方法。

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