阿基米德方法的思想方法

如题所述

第1个回答  2016-06-01

设D是抛物线弧ABC的弦AC的中点,过D作直线平行于抛物线的轴OY,交抛物线于B.证明:抛物弓形ABCD的面积等于△ABC面积的 4/3.
当时已经知道过B的切线平行于AC,即B是弓形的顶点(在ABC弧上与AC距离最远的点).命题结论的另一种说法是:
抛物弓形的面积,是等底等高的三角形的4/3.
用解析几何来分析,设抛物线方程是:y=ax^2 (1)
A,C的横坐标分别是x1,x2,
则AC的方程是:y=ax1x+ax2x-ax1·x2(2)
过C点的切线CF的方程是:y=2ax2x-ax2^2 (3)
延长DB交CF于E,不难证明,B是ED的中点.事实上,将D,B,E的横坐标 (x1+x2)/2 分别代入(2)、(1)、(3)式,可得三者的纵坐标,依次是:yD=a(x1^2+x2^2)/2,yB=a[(x1+x2)/2]^2,yE=ax1·x2
由此知B是D、E中点.
作AF//OY,交CF于F.延长CB交AF于K,则K是FA的中点.再取KH=KC,过AC上任意点M作MQ//OY,交CK于P,交CF于Q,交抛物线于N.将M的横坐标x0分别代入(2)、(1)、(3),得M,N,Q的纵坐标:
yM=ax1·x0+ax2·x0-ax1·x2
yN=ax0^2
yQ=2ax2·x0-ax2^2
于是有:
上面推出的几个性质,有的前人已证明,有的阿基米德在别处已证明,在这里是作为已知条件来使用的.例如:1)过D且平行于轴的直线必过弓形的顶点B,且B是ED中点,在欧几里得以及阿里斯泰奥斯(Aristaeus,约公元前340年)的圆锥曲线论中已证明,在阿基米德的《抛物线图形求积法》命题 1,2中也讨论过;2)MQ∶MN=AC∶AM是同一篇论文的命题5.
下面才是阿基米德巧妙的根据力学原理去探索真理的方法:
假想各线段都是有重量的,而且重量和长度成正比.又HP是一根以K为支点的杠杆.因为MQ∶MN=HK∶KP,如果将MN放在H点,就可以和位于杠杆另一端的MQ平衡,P是MQ的重心.这关系对于任意的M都成立.弓形可以看作由许多这样的MN线段所组成,而△AFC由许多的MQ线段所组成.如果将所有的MN(也就是整个弓形)都放在H上(以H为重心),就可以和△AFC平衡.弓形的重量可以看作完全集中在H点,而△AFC的重量也可以看作集中在它的重心上,这重心位于中线KC上,与K的距离是KC(=KH)的1/3,故弓形重量(即面积)是△AFC重量(即面积)的1/3.又△AFC=4△ABC,故知弓形ABCD的面积是△ABC的4/3.