阿基米德是古代最伟大的科学家和数学家。他博学多才,对数学、物理、天文学和工程等广泛领域都有贡献。阿基米德也是一位杰出的发明家和武器设计师。

他的许多成就包括

1.他创造了力学和流体静力学(包括杠杆定律、地心引力和所谓的阿基米德原理等概念,阿基米德原理适用于流体中的物体)。

图1:根据阿基米德原理,浸入流体的物体所受的向上浮力等于物体所排开的流体的重量。

2.他给出了计算球体和其他几何物体的体积和表面积的公式。

图2:阿基米德的书《论球体和圆柱体》中的一页,在那里他展示了如何计算一个球体的表面积,以及一个球体的体积是包含它的圆柱体体积的2/3。

3.他是将物理学应用于解决数学问题的先驱者。下面的文章包含了这样一个应用的例子。

4.他从积分演算中预见到了将在2000年后得到充分发展的技术

用数学家史蒂文·斯特罗加茨(的话来说,“阿基米德的才华超越的他的那个时代”。

图3:18世纪中期的阿基米德的一幅画。

他发明了几台战争机器。他甚至利用镜子的特性来燃烧锡拉丘兹的船只。

图4:阿基米德利用镜子来焚烧罗马船只。

在本文中,我将解释他是如何计算抛物线段内的面积的。阿基米德的证明载于他在公元前3世纪所写的论文《抛物线的正交》(在现代微积分由巴罗、笛卡尔、费马、帕斯卡、沃利斯、卡瓦列里、格雷戈里、牛顿和莱布尼兹等几位伟大的数学家发展出之前2000年)。

图5:托马斯·德乔治的《阿基米德之死》根据神话,在士兵用剑杀死他之前,他告诉罗马士兵“不要打扰我计算”。

阿基米德和微积分

在图6和图7中,阿基米德用来计算弦AB围成的面积的结构被展示出来。他构建三个三角形,即ΔABC、ΔADC和ΔCEB:

他首先找到了点C,其中切线平行于AB。

边界弦

同样地,D的切线平行于AC。

E点和BC的选择遵循同样的规则。

然后他对尚未包含内接三角形的区域采取相同的步骤。然后他无限地重复这个过程(这被称为穷竭法)。

图6:阿基米德想要计算抛物线和线段AB区域的面积。

阿基米德的证明,抛物线和线段AB包含区域的面积等于4/3ΔABC:

等式1:阿基米德在他的论文抛物线求积中证明的等式

未来证明这一点,我们需要证明:

等式2。

然后把上面提到的穷竭法应用到下面的三角形ΔACD和ΔBCE等。

证明等式2

在本节中,我将展示如何证明等式2。我将证明,抛物线段的面积等于4/3ΔABC三角形的面积。

表示抛物线的方程可以写成:

方程3:表示抛物线的方程。

图7:的抛物线段定义了三个点A、B和C。

然后我们定义三个点A、B、C,使其结构如图7所示:

方程4:A、B、C三个点的定义,如图7所示

从图7中,我们可以得到如下关系:

方程5:y点x我们发现通过C的垂直线是和弦AB的平分线。

根据方程5,穿过C的垂直线是和弦AB的等分线他们相交的点用P表示这可以证明:

方程6:如果证明了这个等式,则满足等式2成立。

我们证明等式2。从图7中我们可以看到,E的垂线在G点平分线段BC和在h点平分线段BP,如果我们现在证明:

我们将得到:

方程7:这些等式是上述等式的结果。

因为:

我们直接得到式6。然后:

为了证明这一点,我们将解析几何应用于图7。当然,阿基米德的证明只基于几何学,因为分析几何学是在17世纪才发展起来的(由法国哲学家、数学家和科学家勒内·笛卡尔提出)。

经过一些简单的代数运算,我们得到:

方程8:用图3中的结构证明FE=(1/4)QB。

最后一步:应用穷竭法

现在使用穷竭法和再应用与和弦ABC到更小的三角形使用同样的方法,我们得到了一个几何级数,其总和就是我们所期待的结果:

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