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从一个问题说起无穷
從一個問題說起:無窮
西松高中 蘇惠玉老師
在現行高中數學教材中,高一課本有一章內容為數列與級數。其中級數單元的教學目標之一,即是無窮等比級數的求和問題。在南一版本的教科書中,編者提到季諾 (Zeno of Elea, 490BC~430 BC) 的「阿基里斯悖論」(Achilles paradox),1與阿基米德 (Archimedes of Syracuse, 287? BC ~ 212 BC) 求拋物線弓形面積,似乎是一個合適的引起學習興趣的切入點。但是,如果我們能夠還原歷史真相,盡量貼近這些古代學者的歷史脈絡,將會發現另一種數學學習的樂趣。同時,或許還能幫助我們多少瞭解學生在學習無窮概念時,所隱含的認知障礙。
在無窮等比級數求和這個單元中,一定會有一些幾何圖形的等比變化,然後再求面積或周長的問題。例如,圖一就是一個例子。在這裡我們所提供的問題,為了配合高一的程度,都是直線形如三角形或矩形的問題。然而,引入阿基米德求拋物線弓形面積這一個歷史問題時,設Qq為一拋物線弓形的底,V是Qq的中點,過V點的直徑交曲線於P,則P為弓形的頂點。2
命題19
如果Qq是被直徑PV平分於V的拋物線的弦,直徑RM於M點平分QV,RW是從R到PV的縱標,則。
命題20
設拋物線弓形的底為Qq,頂點為P,則三角形PQq大於弓形PQq之半。
命題21
如過任一拋物線弓形的底為Qq,頂點為P,R是由PQ所截得的弓形的頂點,則。
證明:
過R點的直徑平分弦PQ,因此也平分QV,其中PV是平分Qq的直徑。設過R點的直徑平分PQ,QV於Y、M,連接PM。
由命題19,,
又PV=2YM,因此YM=2RY,及ΔPQM=2ΔPRQ。從而,ΔPQV=4ΔPRQ,及ΔPQq=8ΔPRQ。
如果延長從R到PV的縱標RW與曲線交於r,也有RW=rW,
同理可證得,ΔPQq=8ΔPrq。
命題22
如果A、B、C、D…是一系列面積,其中前一向是後一項的4倍,又最大面積A等於內接於拋物線弓形的三角形PQq,且三角形PQq與弓形同底等高,則
(A+B+C+D+…)(弓形PQq的面積)
命題23
已知一系列面積A, B, C, D,…Z,其中A是最大面積,且前一項等於後一項的4倍,則A+B+C+…+Z+=。3
證明:
作面積b, c, d,…使得b=(1/3)B, c=(1/3)C, d=(1/3)D等等,那麼,由於b=(1/3)B,及B=(1/4)A,則有B+b=(1/3)A。
類似可得C+c=(1/3)B,…Z+z=(1/3)Y,所以
B+C+D+…+Z+b+c+d+…+z=(1/3)(A+B+C+…+Y)。
但,b+c+d+…+y=(1/3)(B+C+D+…+Y),
因此,上兩式相減得B+C+D+…+Z+z=(1/3)A,即A+B+C+…+Z+(1/3)Z=(4/3)A。
命題24
由拋物線與弦Qq所圍成的弓形面積,等於同底等高三角形面積的。
證明:
令,其中P為弓形的頂點,現要證明弓形面積等於K。
如果二者不等,則弓形面積要嘛大於K,要嘛小於K。
假設弓形面積大於K。
在由PQ,Pq截得的弓形內,分別作與該弓形同底等高的內接三角形,及兩內接三角形與兩弓形有相同的頂點R、r,在餘下的弓形內按同樣的方式作內接三角形,如此作下去,直到剩下的弓形面積之和小於弓形PQq與K之差。由此可知,如此形成的多邊形一定大於面積K,這是不可能的,因為,其中A=ΔPQq,因而弓形面積不大於K。
II.假設弓形面積小於K。
若令ΔPQq=A,B=(1/4)A, C=(1/4)B,如此下去,直到得到面積X,使得X小於K與弓形面積之差,則有
現在,由於K與A+B+C+…+X之差小於X,又與弓形面積之差大於X,所以A+B+C+…+X(弓形面積),這是不可能的。
因此弓形面積不小於K。
因為弓形面積既不大於K又不小於K,所以
(弓形PQq的面積)=K=。
命題24中,阿基米德的證明方法稱為窮竭(或窮盡)法,即 “The Method of Exhaustion”。所謂的窮竭法證明方式,包含了兩個部分,一個是操作的窮竭,如在曲線圖形內,以同樣的方法,作出許多個內接或外切多邊形,如命題24證明中的內接三角形;另一個部分,即是兩次歸謬證法(reductio ad absurdum)的應用。4在歐基理德的《幾何原本》(The Elements)第12冊的第二個命題,即是利用窮竭法證明:「兩個圓的比如同它們的直徑平方比」(Circles are to one another as the squares on the diameters)。5阿基米德在他的另一本著作《圓的度量》中,亦用了窮竭法證明圓面積公式:「任何一個圓面積等於一個直角三角形,它的夾直角的一邊等於圓的半徑,而另一邊等於圓的周
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