日高公式
数学领域术语
赵爽在给《周髀算经》写注的时候,提出了测量太阳高度的想法。假定大地是平的(这也是合理的,因为赵爽的两次测量之间相距不过几十或几百米),在平地上立两表(表就是“杆”的意思),高度相等(或一个表用两次也可),设为h。两表一前一后,距离为s,且与目标(此处是太阳) 在同一平面内。前面的表(即离目标近的表) 的影子长度为a,后面的影子长度为b。利用相似原理,容易计算出日高H为H=h(1+s/(b-a))(即:日高= (表高×表距)/影差+表高)。但是,这一 方法尽管在理论上可行,其实是无法测出太阳真实高度的,因为H太大了,a 与b几乎相等,而且表的任何轻微晃动所造成的误差,都将远超过b 与a的真值之差。因此,这个“日高公式”在理论上是正确的,在实践上却是不可行的。
公式记载
根据《周髀算经》,周公测日的方法大致是这样的:先后两次测量同一圭表在不同处的日影长,然后用下面公式算出日高:
日高= (表高×表距)/影差+表高.
在平地上立两表(表就是“杆”的意思),高度相等(或一个表用两次也可),设为h。两表一前一后,距离为s,且与目标(此处是太阳) 在同一平面内。前面的表(即离目标近的表) 的影子长度为a,后面的影子长度为b。
日高公式的证明
日高公式怎么来的? 《周髀算经》没有说.赵爽为《周髀算经》作注时,画了一幅“日高图”并附有图说,实际是对日高公式的证明。赵爽原图已佚失,根据残存但是原始的信息,利用《九章算术》中经常出现的“出入相补”原理,吴文俊复原了赵爽的“日高图”,并补出了日高公式的证明。
其中三角形△ABI 全等于△AJI,△ACG 全等于△AQG,而△FGI 全等于△GRI。根据“出入相补”原理,应有
△AJI 的面积一(△AQG 的面积十△GRI 的面积)
=△ABI 的面积一(△ACG 的而积十△FGI 的面积)
即JG=GB,这里JG 表示以J 和G 为顶点的矩形的面积,GB 类似地定义。同理,KE=EB,相减可得JG-KE=GD,即:(FI-DH)×AC=ED×DF,亦即
影差× (日高-表高)=表高×表距。
这就得到了日高公式。
海岛公式
日高公式可用来测天,也可借以量地。比赵爽稍晚的魏晋数学家刘徽就写了一部叫《海岛算经》的著作,应用勾股定理解决各种测量问题,其中第一个问题是测量海岛的高度(图3),刘徽给出了著名的海岛公式(显然,将《周髀算经》中的日高公式改日高为岛高,就是海岛公式):
岛高=(表高×表距)/ 表目距的差+ 表高。
参考资料
最新修订时间:2023-02-07 17:19
目录
概述
公式记载
日高公式的证明
参考资料