第四章 面积与体积 第三节 多面体体积

《九章》商功章提出了许多多面体体积的算法,并在实际中使用了长方体的体积公式V=abh,对此,刘徽把它看成不言自明而未试图证明。


图3 堑之出入相补

堤、沟、渠是水利设施,堑、城、垣是建筑或防御工事,其横截面都是相等的梯形。设上、下广是a、b,高(深)h,长l,《九章》提出的体积公式是V=½(a+b)hl。刘徽采用出入相补,将其变成宽½(a+b),长l,高h的长方体证明之(图3)。


图4 堑堵


图5 阳马

堑堵是将长方体沿相对两棱剖开所得的立体(图4),其体积显然为V=½abh。沿堑堵的一顶点与相对的棱剖开,一部分是底面为长方形,一棱垂直于底面的四棱锥,称为阳马(图5),《九章》给出其体积公式V=(1/3)abh;一部分为四面都是勾股形的四面体,叫鳖臑〔nao闹〕(图6),其体积V=(1/6)abh。在a=b=h的情况下,人们用六个鳖臑或三个阳马可拚成一个正方体,上述两个公式是显然的,这是棊(同“祺”)验法。而当a≠b≠h时,棊验法无能为力,必须用无穷小分割方法才能证明上述公式。这是刘徽的重大贡献,将在第十一节中介绍。


图6 鳖臑

方锥的体积与阳马相同(见图7)。今之方台,古代称为方亭。设上方边长a,下方边长b,高h(图8),《九章》给出的公式是V=(1/3)(a2+b2+ab)h。刘徽又给出等价的公式V=(1/3)(b-a)2h+abh。刍童是草垛,盘池是挖的水池,冥谷是挖的大墓穴,都是上、下底面为长方形的棱台体(图9)。汉代帝王的陵墓都是刍童形。设上底为a1×b1,下底为a2×b2,高h,《九章》给出的体积公式是V=(1/6)[(2a1+a2)b1+(2a2+a1)b2]h。刘徽又提出两个等价的公式V=(1/3)(a2-a1)+(a2-a1)h+½(a2b1+a1b2)h和V=(1/3)[a1b1+a2b2+½(a2b1+a1b2)]h。刍甍也是草垛,形状像屋脊(图10)。设底面为a2×b2,上长b1,高h,《九章》给出其体积公式V=(1/6)(2b2+b1)ha2。刘徽又给出等价的公式V=(1/3)(b2-b1)ha2+½b2a2h。羡〔音yan,通埏〕除是墓道,它是一种三面为等腰梯形(其中两面互相垂直)而两侧面为三角形的楔形体(图11)。设其三广为a、b、c,高h,长l。


图7 方锥


图8 方亭


图9 刍童


图10 刍甍


图11 羡除

《九章》给出其体积公式是V=(1/6)(a+b+c)hl。对这些立体的特殊情形,刘徽之前都用棊验法,而对一般情形,棊验法亦无能为力。刘徽将它们分解成有限个长方体、堑堵、阳马、鳖臑,求其和而证明之。刘徽所补充的上述公式就是由此得出的。

显然,复杂多面体体积的解决都要归结到阳马、鳖臑,正如刘徽所说:“不有鳖臑,无以审阳马之数,不有阳马,无以知锥亭之类,功实之主也。”(《九章算术·商功章注》)中国古代的多面体体积理论,由《九章》提出公式,刘徽完成证明,可以说基本完备。祖冲之父子可能将其推进到隋唐数学家看不懂的地步,由于《缀术》失传,其详情不得而知。就现有资料看唐宋无大的突破。唐初王孝通解决土木工程中更复杂的体积计算问题,都是《九章》已经讨论过的多面体或其组合。《九章》的堤上下两底平行,王孝通解决了一种上下底不平行的堤防,如图12,它可以分解成一个堤与一个羡除,那么,其体积就是两者体积之和。金元治河著作《河防通议》给出其体积公式V=(1/6)[(2h1+h2)(a+b1)/2+(2h2+h1)(a+b2)/2]其中a为上底面广,l为长,h1、h2分别为两头之高,b1、b2分别为两头下广。


图12 堤防