牟合方蓋
 

  祖沖之父子主要是發現到三個「外�遄v的計算方法。他們先考慮一個由八個邊長為r的正立方體組成的大正立方體,然後用製作「牟合方蓋」的方法把這大正立方體分割,再取其中一個小正立方體部分作分析,分割的結果將跟右圖所示的相同,白色部分稱為「小牟合方蓋」,它的體積為「牟合方蓋」的八分之一,而紫紅、黃和青色的部分便是三個「外�遄v。

  祖沖之父子考慮這個小立方體的橫切面。設由小立方體的底至橫切面高度為h,三個「外�遄v的橫切面面積的總和為S及小牟合方蓋的橫切面邊長為a,因此根據「勾股定理」有

a2=r2-h2
另外,因為
S=r2-a2
所以
S=r2-(r2-h2)=h2

於所有的h來說,這個結果也是不變的。祖氏父子便由此出發,他們取一個底方每邊之長和高都等於r的方錐,倒過來立著,與三個「外�遄v的體積的和進行比較。設由方錐頂點至方錐截面的高度為h,不難發現對於任何的h,方錐截面面積也必為h2。換句話說,雖然方錐跟三個「外�遄v的形狀不同,但因它們的體積都可以用截面面積和高度來計算,而在等高處的截面面積總是相等的,所以它們的體積也就不能不是相等的了,所以祖氏云:

「緣冪勢既同,則積不容異。」

所以

外�鉣橦n之和=方錐體積=小立方體體積/3=r3/3
即
小牟合方蓋體積= 2r3/3
 牟合方蓋體積=16r3/3
因此
球體體積=(π/4)(16r3/3)=4πr3/3

這條公式也就是正正式式的球體體積公式。

卡瓦列利

  這球體體積公式比歐洲阿基米德的,雖然是遲了出現,但由方法以至推導也是由劉徽及祖氏父子自行創出,也可算是一項傑出的成就。當中用了「緣冪勢既同,則積不容異。」即「等高處截面面積相等,則二立體的體積相等。」的定理,現在一般認為是由意大利數學家卡瓦列利(Cavalieri)首先引用,稱為卡瓦列利原理(Principle of Cavalieri),但事實上祖氏父子比他早一千年就用到這個原理,所以稱之為「祖氏原理」可能會較適合。

   
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參考書目:
1. 李儼、杜石然著,《中國古代數學簡史》,九章出版社,台灣,1992。
2. 李繼閔著,《〈九章算術〉及其劉徽注研究》,九章出版社,台灣,1992。
3. 潘有發著,《趣味歌詞古體算題選》,九章出版社,台灣,1995。