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古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

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古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑
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在古代,直至明末,中国算学领域未见正五边形的精确答案,不过有正五边形平面的建筑是有的,五角装饰纹样更是有的。他们是怎么做的呢?

对此,学者刘畅在紫禁城杂志《雕虫故事——匠人的正五边形》一文作了详细的论述。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

碧螺亭鸟瞰

在清代样式= V / ? / f D ,雷家族留到今天的一叠没有标题的纸& } =卷上,记载着正多边形三角到十六角形的算法口诀。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

样式雷图档 网络N x n 6 H 8图片

其中关于正五边形有两条:一条写着“五角,每面求角至面中用一五四五扣,每面求角至中用八五三五扣,每面求面至中用六九一五扣,每面求三角至三角用一六二五扣”,T k s T W e x Q是已知边长求算其他关系的比率;另一条写着“五角,斜有每面正宽若干用一二三五因,{ p W搭斜角用一空三三因”,分3 n , v M T K ]别是有了五边形外接圆求算内切圆的倒数比率,以及再求与该五边形“搭角相交”的内切圆中内接正五边形边长的倒数比率。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

根据样式雷五角形算法口诀制作的以 R s B 4 A边长求其他关系的比率图

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

根据样式雷五角算法2 6 V $口诀制作的以五边形外v / ; L ) E Z接圆求内切圆的倒数比率图

坦率地讲,口诀的精确程度是欠缺的,多数比率前起第三位数字—甚至有的第二位上便已发生了错误。令人不解的是,样式雷供役宫廷之前,康熙皇帝早就坚持从西方传教士那里学习数学、天文学、地理学、医学C c 6 n d ; ; v q、拉丁文等,对中西方的数算几何更是达到了精通的地4 ? $ 6 m #步。他晚年还兴办算术馆,组织编纂大规模的天文、数学、乐理丛书《律历渊源》。

那么,怎么解释若干年之后,御用建筑家们的算法精度居然如此之低呢?对比历法、算学对于皇家的重要意义,这种现象或者可以归咎于建筑业匠人较低的社会地位和教育背景。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

《律历渊源》 网络图片

真正的正五边形算法还是在西方。算法诞生在古希腊,文艺复兴时期意大利的塞利奥在他著名的《建筑学第二书》中把它灌输给了更多的建筑师。究其过程,就是先在半径为1的圆中利用直角三角形的关系画出/2来,在简明地运用另一个直角三角形求出斜边的边长/2,这个长度便是此圆内接正五边形的边长。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

西方正五边形算法图

画法背后的证明更算得上巧妙。只列举~ y v –一种简单的证法。要从正十边形倒过来说,有了十边的,画五边就只是举手之劳。

正十边形可以图形中心为顶、各面为底划分成10个等腰三角形;每个等腰三角$ q d ( 8 5 l形顶角36,二底角72;

平分一底角,在三角形中得到a、b、c三条线段,其中a长即为正十边形外接圆半径1,且a=b+c;

按照相似三角形的比例关系得到a:b=b:c,为黄@ x 8 X U金分割比] S # y ; C q例,用一元二次方程可解得:a=1;b=(√5-1 )/2;c=(3- √5 )/2;有了b、c,五边Y * : d形边长之半d即可用勾股弦法& W 6 + C Y n求得。

证毕。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

以正十边形证正五边形图

中国古代没有两样成0 @ G V q 6 v M果,一个是圆周360,一个是完全数学意义上的黄金分割。

说起源自古希腊的360圆周传入中国,第一次的昙花一现大致是唐朝,是瞿昙氏一家从印度带来的,后来由于历法之争未果,其算法遂趋衰微。第二次就一下自等了快900年,到了明末。中国古人用的是一周356.25,究其目的是便于做天文观察——每天转一度,天天年年地转下去,其方便好用不言自明。何必要改成360呢?说到底还是因为360能带来简便的几 ` ,何关系,便于精确划分——虽然清代数学家梅文鼎说“几何即勾股”,但是有了45对应等边直角三角形、60对应等边三角形、36对应黄金分割三角形,我们便多了不少W k T n @ c = Z直观明确的认识。

古代不知圆周度数导致没计算出正五边形,不能靠数学建此类建筑

《几何原本》 网络图片

黄金分割也是明末随着《几何原本》来到中国的。当时徐光启称之为“理分中末线”。完全可以运用勾股定理求出与相关的黄金分割点,进而得出十分或五分圆周的方法。

少了这两种武器,在求解正五边形领域,中国古人显然是不幸运的。

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