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阿基米德螺线历史沿革

2022/07/1699 作者:佚名
导读:阿基米德(约公元前287~前212),古希腊伟大的数学家、力学家。他公元前287年生于希腊叙拉古附近的一个小村庄。 公元前276年,也就是阿基米德十一岁时,阿基米德被父亲送到埃及的亚历山大城跟随欧几里得的学生埃拉托塞和卡农学习。亚历山大城位于尼罗河口,是当时世界的知识、文化贸易中心,学者云集,人才荟萃,被世人誉为“智慧之都”。举凡文学、数学、天文学、医学的研究都很发达。 阿基米德在亚历山大跟随过许

阿基米德 阿基米德(约公元前287~前212),古希腊伟大的数学家、力学家。他公元前287年生于希腊叙拉古附近的一个小村庄。

公元前276年,也就是阿基米德十一岁时,阿基米德被父亲送到埃及的亚历山大城跟随欧几里得的学生埃拉托塞和卡农学习。亚历山大城位于尼罗河口,是当时世界的知识、文化贸易中心,学者云集,人才荟萃,被世人誉为“智慧之都”。举凡文学、数学、天文学、医学的研究都很发达。

阿基米德在亚历山大跟随过许多著名的数学家学习,包括有名的几何学大师—欧几里德,阿基米德在这里学习和生活了许多年,他兼收并蓄了东方和古希腊的优秀文化遗产,对其后的科学生涯中作出了重大的影响,奠定了阿基米德日后从事科学研究的基础。

公元前240年,阿基米德由埃及回到故乡叙拉古,并担任了国王的顾问。从此开始了对科学的全面探索,在物理学、数学等领域取得了举世瞩目的成果,成为古希腊最伟大的科学家之一。后人对阿基米德给以极高的评价,常把他和牛顿、高斯并列为有史以来三个贡献最大的数学家。

据说,阿基米德螺线最初是由阿基米德的老师柯农(欧几里德的弟子)发现的。柯农死后,阿基米德继续研究,又发现许多重要性质,因而这种螺线就以阿基米德的名字命名了。

与希皮亚斯割圆曲线相类似,可以用来化圆为方。不过,后者也是阿基米德自己完成的。如图2,螺线P=aθ的极点为O,第一圈终于点A。以O为圆心,a为半径作圆,则圆周长等于=OA。这样,阿基米德轻易解决化圆为方问题。

图2 化圆为方 稍迟于阿基米德的阿波罗尼斯用圆柱螺线解决了化圆为方问题,如图2所示。设圆O是一直圆柱之底面,A是螺旋线之起始点。螺旋线在其上任一点P处的切线交底所在平面于T。则PT在底平面上的投影BTAB相等。因此,当P点恰好为A点所在母线上离A最近的点时,TB与圆周长相等。从而化圆为方问题得以解决。

图3 化圆为方 在阿波罗尼斯之后,机械师卡普斯(Carpus)也解过化圆为方问题。他所用的“双重运动曲线”今已失传,据数学史家唐内里(P. Tannery, 1843~1904)推测,它是摆线,亦即卡普斯是通过将圆沿直线滚动一周获得圆周长的(图3)。文艺复兴时期,意大利著名艺术大师达·芬奇(1452~1519)为化圆为方问题所吸引,并获巧妙方法。如图3,设圆半径为R,以圆为底作高为R/2的圆柱,然后将圆柱在平面上滚动一周,得矩形。将矩形化方,即完成化圆为方。

以上我们看到,希腊人很早就意识到(但未能证明)三大难题不能以尺规在有限步骤内完成。但它们看似如此简单,以至希腊人未能抵制诱惑;他们不断寻求尺规以外的方法,结果导致圆锥曲线、割圆曲线、蚌线、蔓叶线和螺线等高次曲线和超越曲线的相继发现。三大难题使一代又一代希腊数学家显示了非凡的聪明才智,并深刻影响了希腊几何的整个发展过程。

三大难题的魅力并未随希腊文明的沦亡而消失。事实上,从希腊以后特别是欧洲文艺复兴时期以来直到本世纪,对于它们的研究从未停止过。

1837年,年轻的法国数学家万采尔(P. L. Wantzel,1814~1848)证明了三等分角和倍立方尺规作图之不可能性。1882年,德国数学家林德曼(C. Lindemann, 1852~1938)证明了π的超越性,从而证明了化圆为方的尺规作图之不可能性。以后数学家们又还建立了两条一般定理:

定理1任何可用尺规由已知单位长度作出的量必为代数数;

定理2若一有理系数三次方程没有有理根,则它的根不可能用尺规由一给定单位长度作出。

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