祖暅[gèng](456年—536年),一作祖暅之,字景烁,范阳遒县(今河北涞水)人。中国南北朝时期算学家、天文学家,祖冲之之子。同父祖冲之算出球面积的问题。以“幂势既同则积不容异”,从先贤刘徽“牟合方盖”之法,算出球体积。祖暅在梁朝担任过员外散骑侍郎、太府卿、南康太守、材官将军、奉朝请等职务。青年时代已对天文学和数学造诣很深,是祖冲之科学事业的继承人。
祖暅原理也就是“等积原理”。它是由我国南北朝杰出的数学家、祖冲之的儿子祖暅首先提出来的。祖暅原理的内容是:夹在两个平行平面间的两个几何体,被平行于这两个平行平面的平面所截,如果截得两个截面的面积总相等,那么这两个几何体的体积相等。
祖暅《缀术》曰:“缘幂势既同,则积不容异。”祖冲之父子采用这一原理,求出了牟合方盖的体积,进而算出球体积。在欧洲17世纪意大利数学家卡瓦列利亦发现相同定理,所以西方文献一般称该原理为卡瓦列利原理。
上述原理在中国被称为祖暅原理,国外则一般称之为卡瓦列利原理。
祖暅(gèng)原理是指所有等高处横截面积相等的两个同高立体,其体积也必然相等的定理。这个原理很容易理解。取一摞书或一摞纸张堆放在水平桌面上,然后用手推一下以改变其形状,这时高度没有改变,每页纸张的面积也没有改变,因而这摞书或纸张的体积与变形前相等。祖暅不仅首次明确提出了这一原理,还成功地将其应用到球体积的推算。以长方体体积公式和祖暅原理为基础,可以求出柱、锥、台、球等的体积。
祖暅的主要贡献是修补编辑祖冲之的《缀术》,因此可以说《缀术》是他们父子共同完成的数学杰作。《九章算术》少广章中李淳风注所引述的“祖暅之开立圆术”,详细记载了祖冲之父子解决球体积问题的方法。
《九章算术·少广》篇开立圆术:置积尺数,以十六乘之,九而一,所得开立方除之,即立圆径。然所得不精。刘徽创造了立体图形“牟合方盖”,而球的体积与牟合方盖的体积之比为π比四。祖暅再以“幂势既同则积不容异”得出牟合方盖体积进而算出球体积。
圆柱体
如果垂直转轴切开圆柱体,设为半径,可以得到横切面面积为的圆形。根据祖暅原理,圆柱体的体积相等于方形面积相等于圆面积的立方体。
半球体
从其中一层以垂直表面的高横切半径为的半球体,根据勾股定理,求半径,横切面面积。对照立体是一个拥有与半球体相同表面积和高的立体,中间有一个圆锥体。高的对照立体环形切面有内圆周以及外圆周,因此两个立体都满足祖暅原理并且有相同体积。对照立体的体积便是圆柱体和圆锥体体积之差,所以成功利用这条有名的方程计算出半球体体积,从而导出球体体积公式。
刘徽注释《九章算术》时指出球与外切“牟合方盖”的体积之比为a:4,但他未能求出牟合方盖的体积。祖冲之父子采用了“幂势既同,则积不容异”(两个等高的立体,如在等高处的截面积恒相等,则体积相等)的原理,解决了这一问题,从而给出球体积的正确公式。这一原理后人称之为“祖暅原理”,在西方,直到17世纪才由意大利数学家卡瓦列利重新发现。
祖暅的主要工作是修补编辑他父亲的数学著作《缀术》。他运用祖暅原理和由他创造的开立圆术,发展了他父亲的研究成果,巧妙地证得球的体积公式。他求得这一公式比意大利数学家卡瓦列利(Bonaventura Cavalieri,1589年—1647年)至少要早1100年。
祖暅原理背后的概念经常出现在微积分中。两条方程式在两个交点间的面积可以利用以下方程获得:实质上表示了函数图形和之间的面积与函数图形下的相同,而后者的交点距离与前者相等。由于现代数学中的积分和面积的互相关系,而体积可以通过微分计算,使祖暅原理变得更为少用。
祖暅还有不少其他科学发现,例如肯定北极星并非真正在北天极,而要偏离一度多等等。算得这些结果,同他丰富的数学知识是分不开的。 在天文学方面,祖暅曾于504年、509年和510年三次上书建议采用祖冲之的《大明历》,最后一次终于实现了父亲的遗愿,《大明历》被梁武帝天监年间采用颁行。他还亲自监造八尺铜表,测量日影长度,并发现了北极星与北天极不动处相差一度有余,改进过当时通用的计时器——漏壶。著作有《漏刻经》、《天文录》等,但前者失传,后者仅存残篇。