体积问题在《筭数书》中占有重要地位,有“除”“斩都”[6]“刍”“旋粟”“囷盖”“圆亭”“井材”等7条,包括《九章筭术》的刍甍、刍童、圆锥、圆亭、圜柱、羡除等各种立体的体积公式,比纯粹的面积问题多。
1.圆柱
第61条“井材”给出了圆柱体的体积公式:
井材 圜材、井窌若它物,周二丈四尺,深丈五尺,积七百廿尺。术曰:耤周自乘,以深乘之,十二成一。一曰:以周乘径,四成一。积一百尺半,问:径几何?
井材、圜材、井窌都是圆柱体。设圆柱周长为l,高为h,《筭数书》给出体积公式:
与《九章筭术》的圆堢壔体积公式完全一致。此条还给出了圜柱底面积的公式:
2.圆锥
第58条“旋粟”、第59条“囷盖”都提出了圆锥体积公式,两者完全相同。不过后者相当于《九章筭术》商功章的圆锥术,前者相当于《九章筭术》商功章的“委粟术”,在求粟米的数量之前,先通过圆锥体积公式计算出堆成圆锥形状的粟米的体积。此条如下:
旋粟 旋粟高五尺,下周三丈,积百廿五尺。二尺七寸而一石,为粟四十六石廿七分石之八。其术曰:下周自乘,以高乘之,卅六成一。大积四千五百尺。
设圆锥下周长为l,高为h,则圆锥体积
与《九章筭术》的圆锥体积公式完全一致。将例题的高、下周的数值代入,便得到:
旋粟的体积=×302(平方)尺×5尺=125(立方)尺。
为粟=125(立方)尺÷2(立方)尺=46石。
此条还给出了“大积”,实际上是以圆锥下周为底边长,以圆锥高为高的长方体的体积。
3.圆亭(www.xing528.com)
圆亭的名称与《九章筭术》相同。《筭数书》第60条“圆亭”是:
圆亭 圆亭上周三丈,大周四丈,高二丈。积二千五十五尺卅六分尺廿。术曰:下周乘上周,周自乘,皆并,以高乘之,卅六成一。今二千五十五尺分廿。
此条给出了圆亭体积的抽象公式。设上周a,大周即下周为b,高为h,则圆亭体积
与《九章筭术》的圆亭公式完全一致。将例题的数值代入公式,便等到圆亭体积
此条的最后一句可能是上述例题的逆运算的残文。[7]
4.刍
“刍”条是:
刍 刍童及方阙,下广丈五尺、袤三丈;上广二丈、袤四丈;高丈五尺。积九千二百五十尺。术曰:上广袤、下广袤各自乘;又上袤从下袤,以乘上广;下袤从上袤,以乘下广;皆并。以高乘之,六成一。
此条“刍”包括刍童与方阙两种形状相同的立体。《九章筭术》也有刍童,但是,没有方阙。设刍童的上广、袤分别为a,b,下广、袤分别为c,d,高为h,则其体积公式为:
显然,它可以整理成
可见,《筭数书》与《九章筭术》的刍童体积公式表达形式稍异,而其实质是相同的。将例题的数值代入,便得到其体积:
V=[20×40+15×30+(40+30)×20+(40+30)×15]×15
=9 250(立方)尺。[8]
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