圆球的表面积公式很好记,是4πr²,即是其半径构成的圆的面积的4倍,或者说是其内含圆面积的4倍。因为4恰好是2的平方,而2r恰好是直径D,所以也可以写成是πD²。是不是很熟悉?也就是说,半径为r的球体的表面积,与半径为2r的圆的面积相等。
圆球的体积公式在西方也是首先由阿基米德推导出来的。但是他是先使用了杠杆原理去“验证”,然后使用数学方法去推导。这种方法看上去不可思议,其实很实用。
他使用了如下的杠杆。
右边绿色为底圆半径为2r,高为2r的圆柱,离支点距离为r。左边距离2r处为悬挂在一起的圆锥体和球体。圆锥体的底圆半径为2r,高为2r。球体半径为r。
按已知的公式可知,圆锥的体积为圆柱的1/3,球体体积为圆柱的1/6,显然这个杠杆系统是平衡的。
其实,我对他这个东西真不以为然,因为它是否平衡需要靠“观察可知”。然而,这看上去不可靠的“观察”,让他确信了自己的判断,从而使用严格的数学逻辑去证明。这大概也可以说是“大胆猜测,小心求证吧。”
阿基米德当然不会凭观察就确信的,他进行了证明。下面是节选自一篇论文。
推导球体体积(一)
推导球体体积(二)
读完之后,我真的对阿基米德的四大数学家之首的称号佩服得五体投地。
圆球的体积公式是V=(4/3)πr³,也可以记成是“表面积与半径的积的1/3”,即(1/3)πD²r,这是一个圆柱体,高度为r,底圆半径为2r。
设一个底圆半径为r,高度为2r的圆柱,显然这个圆柱恰好与半径为r的圆球内切。圆柱的体积是2πr³,与球的体积比为:3/2。
阿基米德十分喜欢这一结论,将其刻在了自己的墓碑上。如下:
中国古代学者到祖冲之的儿子祖暅(gèng)的时候,使用他得到的“幂势既同,则积不容异”的祖暅原理,通过推导得到了球体公式。意大利数学家卡瓦列里(Cavalieri.B,1589-1647)再次发现这一原理,已经比祖暅晚了1000年。这可与其父祖冲之的圆周率七位精确值和密率的发现相媲美。
只不过,相较于公元前287年—公元前212年在世的阿基米德,只能依靠其父429年-500年的在世时间来推测祖暅的大体在世时间,估计在450-520年之间。他获得球体积公式,比阿基米德晚了700年。而这一点,在中国,很少有谁愿意讲到。