第一讲 望海岛 —— 两根杆子就能测出海岛有多高?
刘徽的重差术第一题。两根三丈高的杆子、两次后退观测,不用靠近海岛,就能算出岛高四里五十五步、去表一百二里一百五十步。相似三角形的巅峰应用。
刘徽的测量学杰作。九道测望题,从海岛到深谷,从松高到邑方,用「重差术」不用三角函数,却把相似三角形用到了极致。中国古代测量数学的巅峰,比西方早了一千年。
刘徽的重差术第一题。两根三丈高的杆子、两次后退观测,不用靠近海岛,就能算出岛高四里五十五步、去表一百二里一百五十步。相似三角形的巅峰应用。
山上长了一棵松树,你只在山脚下,怎么同时算出山高和松高?刘徽用"入表"的巧妙设计,三次观测就搞定。三望法的经典应用。
站在悬崖边,想知道下面的谷有多深,下不去怎么办?刘徽用两把矩(曲尺),两次观测,就算出了四十一丈九尺的深度。累矩法的代表作。
不知道城邑有多大?站在北门外的树和西门外的观测点,用相似三角形就能算出正方形城邑的边长。这是一道巧妙的面积反推题。
这一讲是海岛算经里第一次出现"三望"——先测楼底(两次累矩)确定水平距离,再测楼顶(小表)算出楼高。从地面到楼顶,古人只用相似三角形,就把一个三维测量问题拆解成两步。
这一讲是海岛算经里最巧妙的一题——古人在地上拉一条绳子(连索),通过两次观测绳子的"入索"长度和一次"后退"对照,就能算出河口的宽度。不需要过河,不需要乘船,一条绳子加两根木表就够了。
这一讲是海岛算经里最精妙的一题——渊下有白石,水面上看得到,水里也看得到,但水有多深呢?刘徽用了两副矩尺(累矩法),分别看水面和水底的白石,两次观测、两个目标,四组数据配合,就能算出水深。不需要下水,不需要知道水的折射率,只需要相似三角形。
这一讲是海岛算经里最"折腾"的一题——先在山上看渡口,不但要量南岸、还要量北岸;然后爬到更高的地方,再量一次南岸。三次观测、两组数据,就能算出整个渡口的宽度。不需要过河,不需要船,只需要一把矩尺和两条腿。
海岛算经的终极难题。站在山上,用一个矩尺,四次观测,同时测出山下城邑的南北长和东西宽。这是重差术的集大成之作——二望、三望都不够,必须四望才能同时解决两个方向上的未知量。