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第三卷 圆与角(1/13)

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中国《九章算术》第一章方田31题:“今有方田,周三十步,径十步。问为田几何?”这里需求的是田的面积。在这里,既给出了直径,又给出了圆周长,圆周率π=3,和《圣经·旧约》里记载的所罗门建造宫殿时“又铸了一个铜海,样式是圆的,高五肘,径十肘,围三十肘”中的一样。中国《周髀算经》里,记述公元前1100年周公与商高的谈话:商高曰:“数之法出于圆方。”对于这句话,中国的赵爽在公元前222年,也就是秦始皇统一中国的前一年,挥笔注曰:“圆径一而周三。”

本卷阐述圆、弦、割线、切线、圆心角、圆周角的一些定理。

消失的地平线

《消失的地平线》反映了康定斯基关于点、线、面的抽象绘画理论,三角形、圆形以及方形与直线的巧妙组合构成了一幅壮丽的图画。

本卷提要

※命题III.1,如何找到一个圆的圆心。

※命题III.17,如何作出一个圆的切线。

※命题III.20、III.21、III.22,圆内的角。

※命题III.31,泰列斯理论,半圆内的直角、锐角与钝角理论。

※命题III.35,在圆内过一个点作出两弦,那么其中一弦的两个截面之乘积等于另一弦的两个截面之乘积。

※命题III.3、III.37,从圆外一点向圆分别作切线和交线,那么切线所构成的正方形等于交线与其圆外线的乘积,反之亦然。

定义

定义III.1 等圆,就是直径或半径相等的圆。

定义III.2 直线与圆相切,就是直线与圆有且只有一个公共点。

定义III.3 两圆相切,就是两圆有且只有一个公共点。

定义III.4 圆心到圆内弦的垂线段相等,称这些弦有相等的弦心距。

定义III.5 当垂线段较长时,称该弦有较大的弦心距。

定义III.6 弓形是由一条弦和一段弧构成的图形。

定义III.7 弓形的角是由弧所对的弦和这段圆弧所夹的角。

定义III.8 在弓形弧上取一点,连接该点与弧的两端点的二直线所夹的角称为弓形角。

定义III.9 而且当夹角的二直线截出一段圆弧时,该角被称为张于弧上的角。

定义III.10 由顶点在圆心角的两边和该两边所截一段圆弧所构成的图形,称为扇形。

定义III.11 包含相等角的弓形称为相似弓形。

命题III.1

给定一个圆可以找到它的圆心。

设:ABC为给定的圆。

现在要求找到ABC的圆心。

令:在圆内任作一条弦AB,作D平分AB。作DC,使之垂直于AB,延长DC至E,在CE上找到该线的平分点F(命题I.10、I.11)。

那么现在我说:F是圆ABC的圆心。

假设不是这样,而假定圆心是G,连接 GA、GD、GB;

那么因为:AD等于DB,DG为共用,那么,AD、DG两边等于对应的BD、DG。

由于:GA、GB皆为半径,所以:GA等于GB;所以:角ADG等于角GDB。(定义I.15 、I.8);

但是,当一条直线和另一条直线所成的邻角彼此相等时,它们每一个都是直角。所以,角GDB是直角。

又因为:角FDB也是直角,所以:角FDB等于角GDB。大等于小。这是不可能的。

所以:点G不是圆ABC的圆心。

同样,我们也可以证明,除了F以外的任何点皆不是圆心。

所以:F是圆ABC的圆心。

所以:给定一个圆可以找到它的圆心。

证完

推论

以上的证明表明:如果一个圆中的一条弦垂直平分圆中的另一条弦,那么圆心一定位于这条弦上。

命题III.2

如果在圆周上任取两点,连接这两点的线段一定位于该圆内。

设:ABC为给定的圆,圆周上的任意两点为A和B。

那么我说:连接AB,这条线段一定位于该圆内。

假定:不是如此,而是落在圆外如AEB,确定圆ABC的圆心D,连接DA、DB,连接DFE(命题III.1);

那么因为DA等于DB,角DAE也就等于角DBE(定义I.15、I.5);

又因为:延长三角形DAE的一边AEB。所以:角DEB就大于角DAE(命题I.16);但是,角DAE等于角DBE,所以,角DEB大于角DBE。且大角对大边。

从而,DB大于DE,但DB等于DF,所以DF大于DE。小的大于大的,这是不可能的。

所以:AB的连线不在圆外。

同样我们可以证明它也不在圆周上。

所以:AB线只能在圆内。

所以:如果在圆周上任取两点,连接这两点的线段一定位于该圆内。

证完

注解

这一命题的图形相当奇怪,但又是必要的。因为这一命题涉及一种假设的情形,要证明这种假设情形是不可能的。在这一图形中,AEB被假设为是圆外的一条直线。在本卷的其他几个命题中,也有类似的不可能图形出现。

欧几里得留下AB不能位于圆周上的情况给读者自己去证明,其实证明它并不难。

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