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说说所谓“鳖臑”“阳马”和“堑堵”

遇见数学  · 公众号  · 数学  · 2024-11-05 20:00

正文

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可能有很多读者还记得,2015年湖北高考数学卷中出现了“鳖臑”“阳马”等名词,引起社会上的热烈讨论。那什么是鳖臑、阳马呢?它们二者又有什么关系?

鳖臑、阳马、堑堵的定义

所谓臑,是指牲畜前肢的下半截,鳖臑当然就是鳖的这个部位。在中国古代数学中,它指的是这一种三棱锥:其底面为直角三角形,与底面交于斜边端点的一条棱垂直于底面。下图中,角ACB是直角,HA垂直于底面ABC。因为BC与AC(即HC在底面上的射影)垂直,由三垂线定理知道,BC也和HC垂直。即图中的四个面都是直角三角形。

如果给出图中各边长度,就可以求得各个二面角角度,还有各异面直线的夹角、距离等等内容,这样就可以和立体几何的很多问题联系起来了。

阳马的名字来自古代建筑的屋子角。所谓阳马,就是底面是长方形、一条侧棱垂直于底面的四棱锥。下图就是一个阳马,包含两个鳖臑H-ABC和H-ABD,二者体积相等。如果底面ACBD是正方形,那么这两个鳖臑就是镜像对称的,也就是说其中一个鳖臑不能用平移、旋转的方法变成第二个。

下面我们再拿出一个鳖臑H-H'BC,其中HH'与平面H'ND垂直,BD与H'D和HD分别垂直(H'D是HD在底面H'BD上的射影)。将这个新的鳖臑贴在上述的阳马上,得到一个倒(dǎo,三声)着放置的三棱柱。我们称长方体沿着对角面切开得到的三棱柱为堑堵。

鳖臑和阳马的三视图

下面是其中一种鳖臑的三视图:

下面是一种阳马的三视图:

鳖臑的垂直关系

单纯看鳖臑、阳马和堑堵立体图,往往难以看清楚线段之间的垂直关系,这里给大家介绍一下。

下面的黑色线段为堑堵原有的棱,红色线为截面的边。箭头所在线为垂线,其所指顶点为垂足。以右上图为例,HA上的箭头指向A,即意味该线与CA,BA垂直,垂足为A,又BC上的箭头指向C,意味着BC与AC,HC垂直,垂足为C。这三个鳖臑可以合成一个堑堵。

此堑堵在平面BCHH'处有一条分界线BH,而同样的三个鳖臑再次组合成另一堑堵,并与前者合为长方体时,在平面BCHH'处的分界线当为CH'。

三种鳖臑的展开图

很多书中的鳖臑、阳马和堑堵都是从正方体中切割出来的,如果要研究更一般的情况,可以利用展开图拼粘(把带打印痕迹的一面露在几何体的外面)。

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把展开图复制下来然后整体翻转一下,可以得到另外一组鳖臑,也能组合成堑堵。


左图组成堑堵的三个鳖臑,其展开图与前面的成镜像对称
右图是这两组鳖臑组成的长方体


两组完全相同的鳖臑组成长方体

(以上组合比较松散,建议用硬一点的纸制作)

由祖暅原理得出鳖臑和阳马的体积

《九章算术》正是在堑堵、阳马、鳖臑的基础上得到各种几何体体积公式的。


堑堵的体积比较简单,因为它是长方体的一半,而长方体的体积,可以由体积定义直接给出,故若堑堵的长宽高分别为a,b,c,则堑堵的体积是abc/2。

接下来我们用祖暅原理来求鳖臑的体积。如下图,两个等高的鳖臑拼在一起形成阳马,用任意平行于底面的平面去截,在两个鳖臑内的截面面积都相等,所以图中两个鳖臑体积相等。这里的依据就是所谓“祖暅原理”。

而下图中的两个鳖臑组合,可以看做是以ADH'H为底、BD为垂直棱的阳马。同理可以证明两个鳖臑体积相同。只不过所做截面应该与ADH'H平行。

借助于中间的那个鳖臑HABD,我们证明了三个鳖臑的体积相同,均为堑堵的1/3,而阳马体积是鳖臑的2倍。

希望上面内容能帮到大家。