02.27 数学史话之尤里卡阿基米德

古希腊数学送走了欧几里得后,终于迎来了他的学生--一个上古巨神--阿基米德。人们对于阿基米德,从来不吝惜任何的溢美之词,"长老"、"智者"、"大师"、"伟大的几何学家"等等。阿基米德究竟做什么,让人们如此的推崇他,就让我慢慢道来。

数学史话之尤里卡阿基米德

阿基米德

公元前287年,阿基米德诞生于希腊西西里岛叙拉古附近的一个小村庄,他出生于贵族,是天文学家菲迪亚斯的儿子,据传他和叙拉古的国王希隆二世有亲属关系,而阿基米德的意思就是大思想家,可见他父亲对他的期许。

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叙拉古城遗址

阿基米德年轻的时候在埃及的亚历山大城上过学,在那里他遇到了他的几何老师欧几里得。阿基米德在亚历山大城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。

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亚历山大城城徽--庞贝柱

阿基米德是一个物理学家和数学家,他在物理学方面的成就是前无古人的。比如他确立了静力学和流体静力学的基本原理,他证明了物体在液体中所受浮力等于它所排开液体的重量,这一结果后被称为阿基米德原理(题目中的"尤里卡",就是阿基米德在发现浮力定理时喊的话,意思是:我找到了);他发明的机械有引水用的水螺旋;能牵动满载大船的杠杆滑轮机械;能说明日食,月食现象的地球-月球-太阳运行模型。阿基米德有一句流传了很多世纪的名言:给我一个支点,我能撬起地球。然而他认为机械发明比纯数学低级,因而没写这方面的著作。

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阿基米德螺旋抽水机

由于我们是在写数学史话,所以对于阿基米德在天文学和物理学上的贡献暂且不谈了,我们只谈谈他对于纯数学和应用数学的贡献。

阿基米德的数学思想中蕴涵微积分,他的《方法论》中已经"十分接近现代微积分",这里有对数学上"无穷"的超前研究,贯穿全篇的则是如何将数学模型进行物理上的应用。阿基米德将欧几里德提出的趋近观念作了有效的运用。他利用"逼近法"算出球面积、球体积、抛物线、椭圆面积,后世的数学家依据这样的"逼近法"加以发展成近代的"微积分"。他所缺的是没有极限概念,但其思想实质却伸展到17世纪趋于成熟的无穷小分析领域里去,预告了微积分的诞生。另外他算出球的表面积是其内接最大圆面积的四倍,又导出圆柱内切球体的体积是圆柱体积的三分之二。他给出了计算π的方法(圆的周长与直径之比),并确定π的值在3.14163和3.14286之间,他还给出了近似计算平方根的方法。

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椭圆面积公式和椭球体积公式

阿基米德研究出螺旋形曲线的性质,现今的“阿基米德螺线”曲线,就是因为纪念他而命名。另外他在《数沙者》一书中,他创造了一套记大数的方法,简化了记数的方式。阿基米德的几何著作是希腊数学的顶峰。他把欧几里得严格的推理方法与柏拉图鲜艳的丰富想象和谐地结合在一起,达到了至善至美的境界,从而"使得往后由开普勒、卡瓦列利、费马、牛顿、莱布尼茨等人继续培育起来的微积分日趋完美"。

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阿基米德螺线(记住这个图形,以后我们会看到一个跟它相似但不一样的螺线)

阿基米德对数学和物理的发展做出了巨大的贡献,为社会进步和人类发展做出了不可磨灭的影响,即使牛顿和爱因斯坦也都曾从他身上汲取过智慧和灵感,他是"理论天才与实验天才合于一人的理想化身",文艺复兴时期的达芬奇和伽利略等人都拿他来做自己的楷模,阿基米德和牛顿、高斯一起被公认为是世界三大数学家。

然而,就是这样的一位天才,却在罗马入侵叙拉古的时候被一个罗马士兵杀死了。据说当入侵者闯入阿基米德的家中时,他正在地上埋头作几何图形。他的最后一句话是:走开,别动我的图。士兵一听十分生气,于是拔出刀来,朝阿基米德身上刺下去。

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阿基米德的墓碑(你能看出这张图的意思吗?)


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