这个美男子,早在2000年前就会编程造机器人了
“在一条直线的同一侧有两个点A和B,在直线上找到一点C,使得线段AC和CB的长度和最短。”
久经考场的你可能见过这个问题的各种版本:将军饮马啦,消防员去取水啦,油罐车去加油啦,解放军去取补给啦……反正各种马甲里面都是这个朴素的身躯。而最早提出这个问题并予以解答的,是两千年前古希腊的海伦。
一道两千岁的陈年老题
海伦提出这个问题的时候也穿了件马甲,他研究的是光的反射问题:“A点发出的一束光线,由镜面反射到达B点,那么光线将走最短的路程。”因此他给出的答案是“入射角和反射角相等时,两条线段长度和最短。”当然,古希腊人做事很讲究,结论虽然有了,但也得给出个证明过程才行。
假如图上直线a表示镜面,镜面的同一侧有A、B两点,光线从A出发,经反射到达B。从B点向a引垂线并延长,垂足为D,截取B’使得BD=B’D,用直线连接AB’,同a有一个交点,给这个点起个名字叫E。你能很轻易地证明,折线AEB的长度和线段AB’相等。
可是折线AEB就是所有折线中最短的么?我们来看看a上任意的另外一点E’,现在要比较一下AE’+E’B和AE+EB的大小。因为△BE’D和△B’E’D是完全一样的,所以折线AE’B的长度和折线AE’B’相等。现在可以比较折线AE’B’和线段AB’的长度了。你想说线段公理(两点之间线段最短)?不不不,那是你的数学老师教的,古希腊人不认这个,人家就认《几何原本》。
欧几里得数学著作,现代数学的基础,《几何原本》。图片来源:sobooks.com
知道《几何原本》第一册命题20是什么吗?三角形任意两边之和大于第三边。这叫做“三角不等式”,所谓的“两点之间线段最短”,只是这个命题的推论。
根据这个命题和等量传递性,我们可以得到 AE’+E’B>AE+EB,海伦就这样给出了光反射问题完整的证明。
古希腊的钢铁侠
根据你的经验,海伦是个常见的歪果仁名字,一般是美女对吧。不过那个是Helen(引发特洛伊战争的那位美丽公主),今天我们的主人公叫Heron of Alexandria,也可以音译作“希罗”,是个卷毛大胡子。
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根据他留存至今的著作和传说中属于他的著作,我们给他冠上了数学家、机械师、实验师、发明家等等头衔,是一位公元一世纪活跃在亚历山大城的古希腊大牛。他在数学方面的贡献,有今天中学依然要学习的海伦公式(用三角形三边长度计算三角形的面积),有求一个数的平方根和三次方根(如果a2=b,a就叫做b的平方根)的逼近法等等。
理论上的成就已然如此,他发明和记录的机械那可叫一个惊天地泣鬼神。
海伦最卓著的成就是发明了最早的蒸汽机----汽转球(aeolipile),他是阐述其制作细节的第一人。
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汽转球主要是由一个空心球和装有水的密闭锅子组成,二者以两个空心管连接,在锅底加热使水沸腾,锅中的蒸气就通过管子进入球中,最后蒸气会由球体的两旁喷出并促使球体转动。
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他发明了最早的自动售货机。扔一个大钱进去,钱币的重量发动里面的机关,结果你就能接到一杯圣水。还发明了自动可乐机(误),放一个杯子上去,机器就自动给你斟上一杯酒。
两千年前的自动贩卖机,感受一下。图片来源:guokr.com
海伦还是一名戏剧爱好者。他发明了一套机械操纵的木偶表演装置,能演10分钟,通过机械定时将金属球滴落到隐藏的鼓上,产生雷声。这个发明由一个旋转的圆柱型齿轮带动,系统的绳子的绳节都有两种状态,通过改变它们的组合切换不同的表演状态,因此这套装置有可能是世界上最早使用二进制程序的“机器人”了。
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他名下还有各种各样的机关设计,比如在祭坛上点起圣火,神庙的门就慢慢打开;再比如记录行车里程的仪表、远程投石机、风力管风琴……
简直是行走在古希腊的托尼斯塔克啊!
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海伦的许多发明虽然只具有娱乐用途,但他意识超前,脑洞惊人,这足以让他在群星闪耀的古希腊脱颖而出,成为真正意义上领先时代的猛男。
参考文献:
http://scienceworld.wolfram.com/physics/HeronsProblem.html (引文中著作名 Catoptica有误,应为 Catoptrica或Catoptrics)
https://en.wikipedia.org/wiki/Hero_of_Alexandria
http://www.hellenicaworld.com/Greece/Technology/en/HeronAlexandria.html
知识点 数学七年级下
不等式
编辑:齐园神狙
少年编委:曹淑然、傅哲源、王晓佳
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