不應當這樣認為:不能直接從某一個科學的事實中得到利益,就隻能使這個事實成為理論的財富。理論本身是人類實踐活動的產物,對於理論具有價值的東西,從實踐這個詞最直接的意義上來說,歸根到底,對於實踐也是重要的。
二、圓麵積之謎
怎樣求圓麵積?我們現在有公式可用,很快就算出來了。但是在漫長的年代裏,人們為了研究和解決這個問題,不知遇到了多少艱難和困苦,花費了多少精力和時間。
割補求麵積
在平麵圖形中,以長方形的麵積最容易求了。用大小一樣的正方形磚鋪墊長方形地麵,如果橫向用八塊,縱向用六塊,那一共就用了8×6=48塊磚。所以求長方形麵積的公式是:長×寬。
求平行四邊形的麵積,可以用割補的方法,把它變成一個與它麵積相等的長方形。長方形的長和寬,就是平行四邊形的底和高。所以求平行四邊形麵積的公式是:底×高。
求三角形的麵積,可以對接上一個和它全等的三角形,成為一個平行四邊形。這樣,三角形的麵積,就等於和它同底同高的平行四邊形麵積的一半。所以求三角形麵積的公式是:12×底×高。
任何一個多邊形,因為可以分割成若幹個三角形,所以它的麵積,就等於這些三角形麵積的和。
四千多年前修建的埃及胡夫金字塔,底座是一個正方形,占地五萬二千九百平方米。它的底座邊長和角度計算十分準確,誤差很小,可見當時測算大麵積的技術水平很高。
古老的難題
圓是最重要的曲邊形。古埃及人把它看成是神賜予人的神聖圖形。怎樣求圓的麵積,是數學對人類智慧的一次考驗。
也許你會想,既然正方形的麵積那麼容易求,我們隻要想辦法做出一個正方形,使它的麵積恰好等於圓麵積就行了。你的想法很好,可是要做出這樣的正方形很難啊。
你知道古代三大幾何難題嗎?其中的一個,就是你剛才想到的化圓為方。這個起源於古希臘的幾何作圖題,在兩千多年間,不知難倒了多少能人,直到19世紀,人們才證明了這個幾何題,是根本不可能用圓規和無刻度的直尺作出來的。
化圓為方這條路走不通,人們不得不開動腦筋,另找出路。
我國古代的數學家,從圓內接正六邊形入手,讓邊數成倍增加,用圓內接正多邊形的麵積去逼近圓麵積。
古希臘的數學家,從圓內接正多邊形和外切正多邊形同時入手,不斷增加它們的邊數,從裏外兩個方麵去逼近圓麵積。
古印度的數學家,采用類似切西瓜的辦法,把圓切成許多小瓣,再把這些小瓣對接成一個長方形,用長方形的麵積去代替圓麵積。
他們煞費苦心,巧妙構思,不怕困難,為求圓麵積作出了十分寶貴的貢獻。
酒桶的學問
16世紀的德國天文學家開普勒,是一個重視觀察、肯動腦筋的人。他曾把丹麥天文學家第穀遺留下來的大量天文觀測資料,認真地進行整理分析,提出了著名的“開普勒三定律”。開普勒第一次告訴人們,地球圍繞太陽運行的軌道是一個橢圓,太陽位於其中的一個焦點上。
開普勒當過數學教師,他對求麵積的問題非常感興趣,曾進行過深入的研究。他想,古代數學家用分割的方法去求圓麵積,所得到的結果都是近似值。為了提高近似的程度,他們不斷增加分割的次數。但是,不管分割多少次,幾千幾萬,隻要是有限次,所求出來的總是圓麵積的近似值。要想求出圓麵積的精確值,必須分割無窮多次,把圓分成無窮多等分才行。
開普勒也模仿切西瓜的方法,把圓分割成許多小扇形;不同的是,他一上來就把圓分成無窮多個小扇形。
因為這些小扇形太小了,小弧AB也太短了,所以開普勒就把小弧AB和小弦AB看成是相等的,即AB=AB。
這樣一來,小扇形AOB就變成為小三角形AOB了;而小三角形AOB的高就是圓的半徑R。於是,開普勒就得到:
小扇形AOB的麵積=小三角形AOB的麵積=12R×AB。
圓麵積等於無窮多個小扇形麵積的和,所以圓麵積S=12R×AB+12R×BC+12R×CD+…=12R×(AB+BC+CD+…)=12R×(AB+BC+CD+…)在最後一個式子中,各段小弧相加就是圓的周長2πR,所以有S=12R×2πR=πR2這就是我們熟悉的圓麵積公式。
開普勒運用無窮分割法,求出了許多圖形的麵積。1615年,他把自己創造的這種求麵積的新方法,發表在《葡萄酒桶的立體幾何》一書中。