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第18章 二维空间——“面”

“原题”

今有方物一束,外周一匝有三十二枚。问积几何?(选自《孙子算经》24卷下)

“译文”

现有(底面)为正方形的物品一束,最外一圈由32枚底面是正方形的小方物组成。问这一束方物底面面积(用小方物的枚数表示)?

“解答”

根据已知条件,你可以想象出,这束方物的底面是由若干个大小相等的小正方形组成的,并且这个底面自身也是正方形,因此,在每一条边上有相等数量的小正方形。根据已知,底面最外一圈有32枚方物,所以,每一条边上有(32 4)÷4=9个小正方形。由此可以算出这个正方形底面应该由9×9=81枚方物组成。

《孙子算经》并没有采用这种惯常的解法,在认真观察每一匝方物数量关系的基础上,古人发现每一匝方物比内一匝多8个,用32减8得内一匝(倒数第二匝)方物数量,再减8得更内一匝(倒数第三匝)方物数量……如此递减直至中心位置的那1个方物,将每次相减所得结果相加,即可求出这一束方物的底面积:32 (32-8) (32-8×2) (32-8×3) 1=81.

因此,这束方物的底面是由81枚小方物构成的。

1.无价之宝

一位在南美洲淘金的老财主不仅淘到了大量的金子,而且淘到了许多钻石。为了向别人炫耀自己的富有,他决定用自己淘到的钻石镶一个世界上绝无仅有的无价之宝。他决定,第一天从保险柜里取出一颗钻石;第二天,取出6颗钻石,镶在第一天那一颗钻石的周围;第三天,在其外围再镶一圈钻石,变成了两圈。每过一天,就多了一圈。这样做7天以后,镶成了一个巨大的钻石群。请问,这块无价之宝一共有多少颗钻石?

开始时只有1颗,第二天增加了6颗,第三天又增加了12颗,第四天又增加了18颗……计算七天的总数,公式为:1 6 12 18 24 30 36=127颗。

因此,这块无价之宝由127颗钻石构成。

2.足球的外衣

一个标准足球通常是由12块正五边形的黑皮子和若干块正六边形的白皮子拼接而成的。你能够计算出白皮子的块数吗?

首先,观察一个足球上的黑皮子,你会发现任何一块黑皮子的任何一条边都与白皮子拼接在一起,而且不同的边拼接着不同的白皮子。12块正五边形的黑皮子有60条边,因此,在一个足球上就有60条黑白相接的边。

再观察正六边形的白皮子,白皮子是正六边形,任何一块白皮子的6条边中,都有3条与黑色皮子拼接,3条与其他白色皮子拼接。现在总共有60条黑白相接的边,因此,一个足球上白皮子的数量是:60÷3=20块。

3.要多少块地板砖

用41块咖啡色和白色相间的地板砖可摆成对角线各为9块地板砖的图形。如果要摆成一个类似的图形,使对角线有19块地板砖,总共需要多少块地板砖?

可以先试某些小一点的数目。比如这样的图形当对角线是3块的时候,一共需要5块地板砖;如果对角线是5块的时候需要13块;对角线是7块的时候需要25块;对角线是9块的时候需要41块……上列数目依次是5、13、25、41……考虑一下每一次增加了多少块,找到什么样的规律,然后用笔简单地排出一个数列,就可以知道对角线是19块的时候需要181块地板砖。

因此,铺这块地一共需要181块地板砖。

“原题”

今有屋基南北三丈,东西六丈,欲以砖砌之。凡积二尺,用砖五枚。问计几何?(选自《孙子算经》9卷中)

“译文”

现有一间房屋,它的地基南北宽3丈,东西长6丈,打算用砖砌此地基。每2平方尺的面积上,用5枚砖。问一共需用砖多少枚?

“单位换算”

1丈=10尺

“解答”

用屋基的南北宽度乘以东西长度:30尺×60尺=1800平方尺,房屋地基面积是1800平方尺。因为每2平方尺用5枚砖,因此,用1800平方尺先乘以5再除以2,便可以求出一共需要用多少块砖:1800×5÷2=4500枚。

因此,一共需要4500枚砖。

“原题”

今有方田,桑生中央。从角至桑一百四十七步。问为田几何?(选自《孙子算经》14卷中)

“译文”

现有一块正方形田地,一棵桑树长在此田正中央。从田地一角到桑树有147步。问这块田的面积是多少?

“单位换算”

1顷=100亩

1亩=240平方米

“解答”

这道题实际上是已知正方形对角线长度,求正方形面积。在求解过程中需求算出正方形边长作为中转条件。今天我们已经非常清楚地知道正方形对角线与边长之间的长度比是():1,但是《孙子算经》成书时代的古人却只大略地知道此二者间的换算关系。在《孙子算经》卷上4中,有这样的记录:“见邪求方,五之,七而一”,也就是说正方形边长与对角线的长度比是5:7,已知对角线长度求边长时,用对角线长度乘以5再除以7.虽然古人的认识不是非常精确,但是,他们能够主动探寻此二者间的长度关系,并把认识的结果固定下来作为方法性的计算指导,已经非常了不起了。

这道题目的已知条件只有一个——“田地一角到桑树的距离是147步”,147步其实只是方田对角线长度的一半,用147×2=295步,便求出了整条对角线的长度。根据《孙子算经》里正方形对角线与边长之间的换算方法:用295乘以5再除以7,便求出了方田的边长,是210步。210步自相乘得44100平方米,便求出了这块方田的面积。最后,我们将这一结果换算成以“顷”和“亩”做单位的数量:

44100平方米÷240=1顷83亩180平方米

因此,这块田的面积是1顷83亩180平方米。

“原题”

今有圆田周三百步,径一百步。问得田几何?(选自《孙子算经》13卷中)

“译文”

今有圆田周长300步,直径100步。问圆田的面积是多少?

“单位换算”

1亩=240平方米

“解答”

《孙子算经》成书之时,人们虽然还不能将π精确到小数点之后的数位,但对于圆的直径、周长、面积间的计算关系已经认识得非常深入了。已知圆的直径,他们可以用多种方法求圆的面积:

方法1:圆面积=周长的一半×半径

对于本题,

周长的一半是300÷2=150步

半径的长度是100÷2=50步

因此,圆面积=150×50=7500平方米

方法2:圆面积=周长×周长÷12

对于本题,

圆面积=300×300÷12=7500平方米

方法3:圆面积=直径×直径×()

对于本题,

圆面积=100×100×()=7500平方米

7500平方米÷240=31亩余60平方米

因此,这块圆田的面积是31亩余60平方米。

你通常怎样求圆的面积?想想上述三种方法的依据是什么。

1.扩大水池的方法

有一个正方形水池,水池的4个角上栽着4棵树。现在要把水池扩大,使它的面积增加一倍,但要求仍然保持正方形,而且不移动树的位置。你有什么好办法吗?

2.逃跑的小正方形

美国的一个魔术师发现这样一个奇怪的现象:一个正方形被分割成几小块后,重新组合成一个同样大小的正方形时,它的中间却有个洞!

他把一张方格纸贴在纸板上,按画上正方形,然后沿图示的直线切成5小块。当他照的样子把这些小块拼成正方形的时候,中间真的出现了一个洞!

正方形是由49个小正方形组成的,正方形却只有48个小正方形。究竟出了什么问题?那个小正方形到底到哪儿去了?

3.地毯的面积是多少

在一间边长为4米的正方形房间里铺着一块三角形地毯。请问,这块地毯的面积是多少?

4.大小三角面积比

在一个正三角形中内接一个圆,圆内又内接一个正三角形。请问:外面的大三角形和里面的小三角形的面积比是多少?

5.分割三角形

用两根火柴将9根火柴所组成的正三角形分为两部分。请问和两个图形哪一个面积比较大?

6.重叠的三角形

将两个正三角形重叠做出一个星形,在重叠的图形中再做一个小星形,即阴影部分。大星形的面积为20cm2,那么小星形的面积是多少?

7.一个比四个

有两个一样大的正方形,一个正方形内有一个内切圆,另一个正方形分成了4个完全相同的小正方形,每个小正方形内有一个内切小圆。请问:4个小圆的面积之和与大圆的面积哪个大?

8.方中的圆,圆中的方

有一个边长10厘米的正方体。在里面画一个内接圆,在圆内再画一个正方形。请问,小正方形的面积为多少?

9.经典的几何分割问题

这是一道经典的几何分割问题。

请将这个图形分成四等份,并且每等份都必须是现在图形的缩小版。

10.四等分图形

你能将下面6个四边形分别分成4个形状、大小完全一样的且与原四边形相似的小四边形吗?

11.拼长方形

图中是一块形状不规则的木板。请想想,怎么样才可以把木板切成两块,并把它拼成一个3×5的长方形,而且不需要翻面?

12.残缺变完整

用两条直线把下面这个残缺的长方形切成3块,使这3块能重新拼成一个正方形。

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