平面图形的出入相补原理

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割补法出入相补杂谈 |
在研究平面图形的面积时,我们经常用到割补法。割补法在我国古代数学著作中称为“出入相补”,刘徽称之为“以盈补虚”,即以多余补不足,是数量的平均思想在几何上的体现。《九章算术》已经能十分灵活地应用“出入相补”原理解决平面图形的面积问题。下面举例说明:
三角形面积公式的推导,现行数学教材中的方法是将两个三角形拼成平行四边形,然后引导学生得出计算公式。在《九章算术》中,三角形被称为圭田。圭田术文是“半广以乘正纵”,也就是说三角形的面积等于底的一半乘高。刘徽注为:“半广者,以盈补虚,为直田也”,说明它是应用出入相补原理,由长方形面积导出的。下图中的三角形下盈上虚,以下补上:
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如果以上角为盈,右下角一侧为虚,像下图一样通过割补变为平行四边形,三角形的面积则等于高的一半乘底。
http://s3/middle/5d4f48echb19be848de42&690
在人教版五下96页也介绍了一种割补方法(如下图),也可以得到三角形的面积为高的一半乘底。不管“底的一半乘高”还是“高的一半乘底”,最后都可得到三角形的面积为底乘高的积除以二,但其背后的思考过程却是不一样的,真可谓“条条大路通罗马”。
http://s10/middle/5d4f48echb19bea4ccba9&690
《九章算术》方田章中,给出了用出入相补原理计算梯形面积的两种方法。术曰:并两邪(上底和下底)而半之(除以二,其实就是线的割补),以乘正从(就是高)若广。又可半正从(高的一半)若广,以乘并(上底和下底的和)。
上述方法一用图形可表示如下:
http://s9/middle/5d4f48echb19be9ab9048&690
在人教版五下96页也介绍了一种割补方法(如下图),可以得到梯形的面积
为高的一半乘上底和下底的和,也就是《九章算术》所述的方法二。
http://s15/middle/5d4f48echb19bea9b1efe&690
《九章算术》中方田章环田(即环形)术曰:“并中外周而半之,以径乘之为积步”。设环形内外周分别为c1、c2,环宽为d,则有s=d (c1+c2)/2。刘徽注曰:“并而半之,以盈补虚,得中平之周。周则为从,径则为广,故广从相乘而得其积。”以盈补虚其实也是出入相补,只不过这里割补的是线段。《九章算术》中的这个公式是如何得到的,我猜想是不是做了这样的推理:中外周并而半之,得到的应是两圆中间的圆周的周长,用这个数值乘环宽理应得到环形的面积。
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我们也可以仿照将圆剪拼成平行四边形的方法,将环形也可以剪拼成平行四边形,拼成的平行四边形的长等于中外周的一半,宽等于环宽,所以环形面积就等于中外周的一半乘环宽。
由前述,我们深信耳熟能详的一句话确为至理名言,让我们牢牢记住:“要给学生一碗水,教师首先要有一桶水,理想的境界是要有长流水。”