用c语言计算正四棱锥的体积,刘徽与正四棱台体积的计算

原标题：刘徽与正四棱台体积的计算

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下面这张图画的是一个正四棱台，它也叫平截头台，或方亭。历史上有很多数学家研究过如何计算这个立体的体积。

(1)我们古代数学家刘徽用了一种巧妙的方法计算出了它的体积。方法如下图所示。他把正四棱台分解成九块(九块之和就等于原立体的体积，这是不言自明的)，其中，中间一块是一个正四棱柱；前后左右是四块相同的平放的直三棱柱(这里用了“直”而不是正，是因为底面三角形不是正三角形，但侧棱是与底面垂直的，刘徽那个时代，叫做“堑堵”)；四个角落上的四块四棱锥(底面是正方形，并且有一条侧棱与底面垂直，在刘徽时代，叫做“阳马”)。

正四棱柱与四个“堑堵”可以拼成一个长方体，如下图左图所示。设它的体积为V1。四个“阳马“可以拼用一个正四棱锥(类似金字塔)，如下图右图所示。设它的体积为V2。

于是，原正四棱台(方亭)的体积就等于V1+V2。即

(2)上面公式的推导中用到了棱锥体积公式，即底面积乘以高再除以3。但是，若默认这个公式可以直接使用，我们还可以有一种更加简单的方法，不用把它拆分成九块。我们只需在棱台上面补充一块使成为一个正四棱锥即可。于是，正四棱台的体积就等于新构成的大四棱锥的体积减去补充上的小四棱锥的体积。如下图所示。

我们来计算正四棱台的体积V。设所补充上的小四棱锥的高为h'。于是，我们通过下面的计算即可求出体积V：

(3)但是，为什么棱锥的体积是底面积乘高再除以3呢？这个，刘徽也曾进行过深入研究，他与阿基米德一样，用到了无限小的概念。他们都初步涉及了微积分的思想。刘徽是对所谓的”阳马”进行了分割，并一直分割下去，再求和，取极限。这里不做具体说明，因为需要一定篇幅。但我在这里给出一种直观和迂回的方法，可以求出正四棱锥的体积。让您感受一下它的巧妙。

首先我们需要事先承认，两个相似立体的体积之比是它们相似比的立方。比如，一个边长为1的正方体，它的体积是1；而一个边长为1的两倍即2的正方体，它的体就是(2/1)的三次方，即8。边长为3的正方体的体积当然就是3的三次方，等于27。对相似的棱锥也是一样。就比如说，与本题有关，一个底面边长为1的正四棱锥的体积若为1，则与它相似但底面边长为2的正四棱锥，它的体积就是小四棱锥体积的2的三次方倍，即8。于是，下面就是我们间接求正四棱锥体积的过程。

把一个正四棱锥用一个与底面平行且过高线中点的平面截开(拦腰切割)。于是，被切下的小正四棱锥的体积为原正四棱锥体积的八分之一。

而所剩正四棱台，按照上面所介绍过的方法切成九块。把其中的四块小”阳马“(下图中的CFGHK是之一)拼成一个正四棱锥，这个正四棱锥与切下来的正四棱锥完全一样(全等)，于是，这两个相同的小正四棱锥的体积之和(设为V3)就是原正四棱锥体积的四分之一，即(1/4)V。

另外五块拼成一个长方体，这个长方体自然占原正四棱锥体积的四分之三，即(3/4)V。而这个长方体的体积可以求出：它的长、宽、高分别为a、a/2(因为是拦腰而截)，h/2。设这个长方体的体积V4。于是有

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