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会圆术

会圆术是一种计算圆弓形弧长的近似方法,为北宋时沈括首创,收录于《梦溪笔谈》。

沈括的《梦溪笔谈》卷18的“会圆术”给出的圆弓形弧长的近似公式为

l=a+h^2/r

其中,r为半径,h为矢高(即圆弓形的高),a为弦长。公式的计算结果比实际值略小,并且圆弓形的弧所对圆心角越小,其精确度越大,当圆心角小于45°时,相对误差小于2-。沈括并未给出这一公式的推导,它很可能与《九章算术》“弧田术”有着某种密切的关系。

会圆术」(已知直径弓形的高,求弓形的和弧长的方法.

算术求积尺①之法,如刍萌②、刍童、方池、冥谷、堑堵、鳖③、圆锥、阳马④之类,物形备矣,独未有隙积一术。古法:凡算方积之物,有立方⑤,谓六幂皆方者。其法再自乘则得之。有堑堵,谓如土墙者,两边杀,两头齐。其法并上下广折半以为之广,以直高乘之⑥,又以直高为股,以上广减下广,余者半之为勾。勾股求弦,以为斜高。有刍童,谓如覆斗者,四面皆杀。其法倍上长加入下长,以上广乘之;倍下长加入上长,以下广乘之;并二位,以高乘之,六而一。隙积者,谓积之有隙者,如累棋、层坛及酒家积罂⑦之类。虽似覆斗,四面皆杀,缘有刻缺及虚隙之处,用刍童法求之,常失于数少。余思而得之,用刍童法为上位、下位,别列⑧下广,以上广减之,余者以高乘之,六而一,并入上位。假令积罂:最上行纵广各二罂,最下行各十二罂,行行相次。先以上二行相次,率至十二,当十一行也。以刍童法求之,倍上行长得四,并入下长得十六,以上广乘之,得之三十二;又倍下行长得二十四,并入上长,得二十六,以下广乘之,得三百一十二;并二位得三百四十四,以高乘之,得三千七百八十四。重列⑨下广十二,以上广减之,余十,以高乘之,得一百一十,并入上位,得三千八百九十四;六而一,得六百四十九,此为罂数也。刍童求见实方之积,隙积求见合角不尽,益出羡积也。履亩之法,方圆曲直尽矣,未有会圆之术⑩。凡圆田,既能拆之,须使会之复圆。古法惟以中破圆法拆之,其失有及三倍者。余别为拆会之术,置圆田,径半之以为弦,又以半径减去所割数,余者为股;各自乘,以股除弦,余者开方除为勾,倍之为割田之直径。以所割之数自乘倍之,又以圆径除所得,加入直径,为割田之弧。再割亦如之,减去已割之弧,则再割之弧也。假令有圆田,径十步,欲割二步。以半径为弦,五步自乘得二十五;又以半径减去所割二步,余三步为股,自乘得九;用减弦外,有十六,开平方,除得四步为勾,倍之为所割直径。以所割之数二步自乘为四,倍之得为八,退上一位为四尺,以圆径除。今圆径十,已足盈数,无可除。只用四尺加入直径,为所割之孤,凡得圆径八步四尺也。再割亦依此法。如圆径二十步求弧数,则当折半,乃所谓以圆径除之也。此二类皆造微之术,古书所不到者,漫志于此。 [1]

①积尺:在本文中泛指体积,也就是“立方尺”的意思。积:数学名词,两个或多个数相乘的结果称为这些数的积。在古代算学书籍里常借用长度单位名称来兼表面积单位或者体积单位,因此,“积尺”在古代既可以表示“平方尺”,也可以表示“立方尺”。

②刍萌:长方楔形状,其底面为长方形,两个侧面为梯形,也称为刍甍(hōn)。

③鳖:一种锥体,底面为直角三角形且有一棱与底面垂直。

④阳马:四棱锥,有时指底面为长方形且有一棱与底面垂直的锥体。

⑤立方:文中指正方体。

⑥以直高乘之:用梯形面的垂直高相乘,文中指用上句中所得的数值(梯形的上下宽相加除以二)与高相乘。至此,实际上就得到了这个梯形的面积,也为下一步乘以长度得到物体的体积作了准备。

⑦罂:古代一种腹大口小的陶制容器。

⑧别列:文中指另外计算。

⑨重列:另外列出。

⑩会圆之术:会圆术,沈括所创的一种计算圆弓形弧长的近似方法,其近似公式为C=a+h2r×6,其中r为半径,h为矢高,a为弦长。沈括并未给出这一公式的推导,它很可能与《九章算术》中“弧田术”有着某种密切的关系。

别:另,另外。古代无“另”字,用“另”的地方常写作“别”。

各自乘:文中指将弦、股各自平方。

再割亦如之:再次切割也如此类推。

减去已割之弧,则再割之弧也:(用总的弧长)减去已割部分的弧长,就是再切割之田的弧长了。

步:古代计量单位,一步为五尺。

造微之术:比较精确的计算方法。

志:记,记述。 [1]

算术中求物体体积的方法,如刍萌、刍童、方池、冥谷、堑堵、鳖、圆锥、阳马等,各种形状的物体都具备了,只是没有隙积术。古代的算法:凡计算物体的体积,有立方体,是指六个面都是正方形的物体,其计算方法是把一条边自乘两次就可以求得了。有堑堵,是指有点像土墙形状的物体,两边是斜的,两头的面是垂直的。它的截面面积的算法是:先把上、下底的宽相加,除以二,作为截面的宽,用直高与它相乘就求得了一个值;再将直高作为股,用上底面的宽减去下底面的宽,所得之差除以二作为勾,用勾股定理算出弦,就是它的斜边长。有刍童,是指有点像翻过来的方斗形状,四侧都是斜面。它的计算方法是:将上底面的长乘二,与下底面的长相加,再与上底面的宽相乘;将下底面的长乘二,与上底面的长相加,再与下底面的宽相乘;把这两个数值相加,与高相乘,再取其六分之一(就求得了它的体积)。隙积,是指堆累起来而其中有空隙的物体,像堆叠起来的棋子、分层建造起来的土坛以及酒馆里堆累起来的酒坛子一类的物体。它们虽像倒扣着的斗,四侧都是斜面,但是由于边缘存在着一定的残缺或空隙,如果用刍童法计算,所得数量往往比实际的要少。我想出了一种计算方法:用刍童法算出它的上位、下位数值,另外单独列出它的下底宽,减去上底宽,将所得之差乘高,取其六分之一,再并入前面的数目就可以了。假设有用酒坛子累成的堆垛,最上层的长、宽都是两只坛子,最下层的长、宽都是十二只坛子,一层层交错堆垛好。先从最上层数起,数到有十二只坛子的地方,正好是十一层。用刍童法来计算,把上层的长乘二得四,与下层的长相加得十六,与上层的宽相乘,得三十二;再把下层的长乘二得二十四,与上层的长相加得二十六,与下层的宽相乘,得三百一十二;上、下两数相加,得三百四十四,乘高得三千七百八十四。另外将下层的宽十二减去上层的宽,得十,与高相乘,得一百一十,与前面的数字相加,得三千八百九十四;取它的六分之一,得六百四十九。这就是这堆酒坛的数量。运用刍童法算出的是实方的体积,运用隙积法算出的是空缺部分拼合成的体积,也就可以算出多余的体积。丈量土地的方法,方、圆、曲、直的算法都有,不过没有会圆的算法。凡是圆形的土地,既能够拆开来,也应该能让它拼合起来恢复圆形。古代的算法,只用中破圆法把圆形拆开来计算,它的误差有达三倍之多的。我另外设计了一种拆开、会合的计算方法。假设有一块圆形的土地,用它的直径的一半作为弦,再以半径减去所割下的弧形的高,用它们的差作为股;弦、股各自平方,用弦的平方减去股的平方,将它们的差开平方后作为勾,再乘二,就是所割弧形田的弦长。把所割的弧形田的高平方,乘二,再除以圆的直径,所得的商加上弧形的弦长,便是所割弧形田的弧长。再割一块田也像这样计算,用总的弧长减去已割部分的弧长,就是再割之田的弧长了。假如有块圆形的土地,直径是十步,想使割出的圆弧高二步,就用圆半径五步作为弦,五步自乘得二十五;又用半径减去弧形的高二步,它们的差三步作为股,自乘得九;用它与弦二十五相减得十六,开平方得四,这就是勾,再乘二,就是弧的弦长。把圆弧的高二步自乘,得四,再乘二得八,退上一位为四尺,用圆的直径相除。现今圆的直径为十,已经满了整十数,不可除。只用四尺加下圆弧直径,就是所割圆的弧长,共得圆弧直径八步四尺。再割一块圆田,也依照这种方法。如果圆直径是二十步,要求弧长,就应当折半,也就是所说的要用圆弧的半径来除它。这两种方法都涉及精确的算法,是古书里没有说到的,随笔记录于此。 [1]

梦溪笔谈》包括《笔谈》、《补笔谈》、《续笔谈》三部分。《笔谈》二十六卷,分为十七门,依次为“故事、辩证、乐律、象数、人事、官政、机智、艺文、书画、技艺、器用、神奇、异事、谬误、讥谑、杂志、药议”。《补笔谈》三卷,包括上述内容中十一门。《续笔谈》一卷,不分门。全书共六百零九条(不同版本稍有出入),内容涉及天文、数学、物理、化学、生物、地质、地理、气象、医药、农学、工程技术、文学、史事、音乐和美术等。在这些条目中,属于人文科学例如人类学、考古学、语言学、音乐等方面的,约占全部条目的18-;属于自然科学方面的,约占总数的36-,其余的则为人事资料、军事、法律及杂闻轶事等约占全书的46-。 [2]

就性质而言,《梦溪笔谈》属于笔记类。从内容上说,它以多于三分之一的篇幅记述并阐发自然科学知识,这在笔记类著述中是少见的。 [2]

《梦溪笔谈》详细记载了劳动人民在科学技术方面的卓越贡献和他自己的研究成果,反映了我国古代特别是北宋时期自然科学达到的辉煌成就。  [2]

沈括(公元1031~1095年),字存中,号梦溪丈人,北宋杭州钱塘县(今浙江杭州)人,汉族。1岁时南迁至福建的武夷山、建阳一带,后隐居于福建的尤溪一带。公元1063年(仁宗嘉八年)进士。神宗时参与王安石变法运动。公元1072年(熙宁五年)提举司天监,次年赴两浙考察水利、差役。公元1075年(熙宁八年)出使辽国,驳斥辽的争地要求。次年任翰林学士,权三司使,整顿陕西盐政。后知延州(今陕西延安),加强对西夏的防御。1082年(元丰五年)以宋军于永乐城之战中为西夏所败,连累被贬。晚年在镇江梦溪园撰写了《梦溪笔谈》。 [3]

《会圆术》选自《沈括梦溪笔谈技艺》

沈括北宋科学家、改革家。晚年以平生见闻,在镇江梦溪园撰写了笔记体巨著《梦溪笔谈》。一位非常博学多才、成就显著的科学家,我国历史上最卓越的科学家之一。精通天文、数学、物理学、化学、地质学,气象学、地理学、农学和医学;他还是卓越的工程师、出色的外交家

沈括的科学成就是多方面的。他精研天文,所提倡的新历法,与今天的阳历相似。在物理学方面,他记录了指南针原理及多种制作法;发现地磁偏角的存在,比欧洲早了四百多年;又曾阐述凹面镜成像的原理;还对共振等规律加以研究。在数学方面,他创立「隙积术」(二阶等差级数的求和法)、「会圆术」(已知直径弓形的高,求弓形的和弧长的方法)。在地质学方面,他对冲积平原形成、水的侵蚀作用等,都有研究,并首先提出石油的命名。医学方面,对于有效的药方,多有记录,并有多部医学著作。此外,他对当时科学发展和生产技术的情况,如毕升发明活字印刷术金属冶炼的方法等,皆详为记录。

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