Vedic Geometry

吠陀几何

雅利安社(Arya Samaj)

雅利安社于1875年由斯瓦米·达耶南德·萨拉斯瓦蒂(Swami Dayanand Saraswati)在印度创立,旨在传播吠陀知识。为实现这一目标,该组织创办了许多称为“古鲁库尔”(gurukul)的教育机构。然而,好人做好事也未必能得到好报:创始人于1883年遭到暗杀(https://en.wikipedia.org/wiki/Arya_Samaj)。尽管如此,雅利安社仍迅速发展,不仅遍及印度,也传播到世界各地。许多教育机构相继建立,名称通常以DAV(Dayanand Arya Vir)开头。最初,在创作这个数学故事时,我只是虚构了美国一座想象中的小镇及其中的DAV星期日学校。后来查阅资料,我才发现雅利安社在美国及其他西方国家的传播范围如此广泛。不过,这个故事仍然是我最初构思的虚构故事。

拉朱·萨胡(Raju Sahu)

拉朱·萨胡是一个12岁的男孩,住在得克萨斯州的廷贝尔镇(Timbell)。他两岁时随父母搬到这里,因为父母都在当地找到了不错的工作。拉朱学习成绩优秀,深受学校老师、同学和邻居的喜爱。他还经常和朋友们一起打棒球。

拉朱参加星期日学校

拉朱的父母希望他不要忘记印度文化——他们所说的不是宝莱坞式的流行文化,而是古老的吠陀文化。镇上有一所由当地雅利安社成员开办的小型DAV星期日学校,拉朱每周都去上课。每次活动通常持续约两个小时,包括一场半小时的讲座、一次非正式交流,以及一种称为“哈万”(havan)的祭火仪式(yagya)。令拉朱印象深刻的是,演讲者会在讲座结束时安排问答环节,称为“Shankasamadhan”,意为解答疑惑。这与他在印度教寺庙或教堂听过的布道不同;在那里,听众通常不被允许质疑讲道者。

《绳法经》(Sulbha Sutras)——用绳索进行几何作图的原则

这个星期日,吉安·德维老师(Miss Gyan Devi)讲解吠陀时期婆罗门家庭举行祭火仪式的传统。典型的家庭会按照《绳法经》的几何原则,精心布置一套称为“三火”(Tretha agni)的祭火设施。它由三个相互关联的火坛组成:家祭火坛(Garhapatya)、供奉火坛(Ahavaniya)和南方火坛(Daksina)。其中一个是圆形,一个是正方形,第三个是半圆形。一个重要条件是:三个火坛的面积必须相等。

祭祀专家会根据不同的目的使用不同形状的祭坛。下表列出了一些例子。

祭坛类型形状用途
Sheyana猎鹰形祈求繁荣
Kanta鹤形获得荣誉
AlajaAlaja鸟形获得权威
带Prauga的祭坛三角形消灭敌人

这些祭坛由正方形、直角三角形和圆形的砖块拼成复杂的图案。这意味着,当时的几何知识已经相当发达,尽管人们还没有圆规。他们可以使用的工具包括木棍、绳索和芝麻籽;长度测量时,将34粒芝麻籽排成一行,就构成一个称为“angula”的长度单位。

解答疑惑(Shankasamadhan)

拉朱几乎被这场讲座迷住了,但他仍然有几个问题。

拉朱:老师,这大约发生在历史上的哪个时期?

吠陀时期的几何

吉安·德维老师:吠陀时期大约从公元前1500年延续到公元前500年,而包含《绳法经》的《鲍达耶那经》(Baudhayana Sutras)文献大约可以追溯到公元前800年至公元前600年。

拉朱:如果他们不知道勾股定理,也不知道圆周率π的值,怎么能够完成这些几何作图呢?

吉安·德维老师:毕达哥拉斯大约在公元前500年提出了这个定理,但雅利安人在那之前很久就已经知道这一关系。下面是一段描述这个定理的梵文经句:

दीर्घचतुरश्रस्याक्ष्णया रज्जु: पार्श्र्वमानी तिर्यग् मानी च यत् पृथग् भूते कुरूतस्तदुभयं करोति ॥

dīrghachatursrasyākṣaṇayā rajjuḥ pārśvamānī, tiryagmānī, cha yatpṛthagbhūte kurutastadubhayāṅ karoti.

其含义是:沿长方形对角线拉紧的绳索所形成的正方形面积,等于分别以长方形的两条相邻边构成的正方形面积之和。(参见《鲍达耶那经》。)

我们可以一起讨论,他们怎样构造一个与正方形面积相等的圆。然后,你可以在下个星期日向全班同学介绍这个方法。

拉朱对这个回答很满意。课后,他找到吉安·德维老师。老师给了他一些参考资料(视频资料、《鲍达耶那经》)。拉朱据此准备了下面这场关于《绳法经》、正方形和圆的报告。

拉朱的报告

拉朱:先画一个正方形ABCD。我们的目标是利用《绳法经》的方法,构造一个面积与这个正方形相等的圆。

用绳法经将正方形转换为等面积圆的作图

画出正方形的两条对角线AC和BD,将它们的交点记为E。以E为圆心、对角线长度的一半为半径画一个圆(见图)。从E向上画一条垂直线,使它与正方形的边CD相交于X,并与圆相交于Y。在EY上取一点Z,使YZ = 2 ZX。然后以E为圆心、EZ为半径再画一个圆。按照这种古代作图方法,第二个圆的面积就近似等于正方形ABCD的面积。

吉安·德维老师:拉朱,现在请运用你今天掌握的几何知识,验证以EZ为半径的圆与正方形ABCD的面积有多接近。

拉朱:假设正方形每条边的长度都是2a,那么它的面积就是4a2。正方形对角线的一半是a√2,约等于1.4142a。因此,EY = 1.4142a,而EX = a。根据YZ = 2 ZX,可以得到EZ = (1 + 0.4142/3)a = 1.1381a。半径为1.1381a的圆,其面积为π(1.1381a)2,约等于4.069a2;而正方形的面积为4a2。

维努(另一名学生):这么说,古代吠陀几何得到的结果只是一个近似值。

拉朱:是的。不过请记住,我们平常使用的圆周率π的小数表示也只是近似值。即使你能写出十万位小数,那仍然不是π的完整精确值。顺便说一句,如果在这个计算中把圆的面积取为4,半径取为1.1381,那么由此得到的π值约为3.088,而我们今天常用的数值是3.1416。别忘了,这些几何计算来自大约2600年前。

挑战题

请推广古代吠陀几何《绳法经》的方法,构造一个面积与给定正方形相等的半圆。

解答:从正方形ABCD出发,以其对角线AC为一条边,作另一个正方形ACUV。如果正方形ABCD的面积是4a2,那么ACUV的面积就是(2a√2)2 = 8a2。现在对正方形ACUV应用拉朱介绍的方法,可以构造一个面积近似为8a2的圆。取这个圆的一半,就得到一个面积近似为4a2的半圆。

利用正方形对角线构造等面积半圆

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