数学故事样稿
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mc1-014 · MATHEMATICS EXTENSION

吉萨金字塔The pyramid of Gizeh

数学学习拓展 约 8 分钟阅读 中文English

内容概述

  • 数学故事
  • 数学史 / 建筑工程中的数学
  • 叙事 + 图注

故事介绍吉萨大金字塔的建造规模与精度:约建于公元前2900年,占地13英亩,由200多万块平均重约2.5吨的石块砌成;底边相对误差小于1/14000,直角偏差不超过1/27000。文中还提到埃及人可能用填沙斜坡法把巨石运送到高处,并以底比斯太阳寺前的方尖塔为例,说明古埃及工程面临的巨大挑战。

中文正文

吉萨(Gizeh)大金字塔大约建于公元前2900年,无疑牵涉着一些数学和工程学的问题。整个建筑占地13亩,是由200多万块石头堆砌起来的,石块平均重两吨半,镶嵌恰到好处。这些石块都来自尼罗河对岸的采石场。有些墓室穹顶是54吨重的花岗岩,27英尺长,4英尺厚,它们从600英里外的采石场运来,然后固定在离地面200英尺的地方。据说,金字塔的四边形底边的相对误差不超过一万四千分之一,而每个角与直角的偏离不超过二万七千分之一。

当然,如果想到这项工程是100 000 士兵苦干30年的结果,那些统计数字背后的巧夺天工就会大失光彩。例如,抬升巨石的难题,做起来也许非常简单:当金字塔不断升高时,把它埋进沙里,然后沿着沙堆的斜坡,一点点把巨石滚到塔的高度,最后再把那些沙运走。只要有了足够的时间和劳力,很多技艺都可以通过简单原始的办法来实现。尽管如此,工程问题还是需要这样那样的方式来解决。举例说,为了采集巨石,为了把粉红色花岗岩的巨大方尖塔树立起来,埃及人该遭遇多少工程难题!现存最大的方尖塔耸立在底比斯的太阳寺前,是公元前1500年的杰作,长几乎105英尺,四方形基础宽10英尺,重约430吨!

英文正文

14° The pyramid of Gizeh. The great pyramid of Gizeh was erected about 2900 B.C. and undoubtedly involved some mathematical and engineering problems.

The structure covers thirteen acres and contains over two million stone blocks, averaging two and a half tons in weight, very carefully fitted together. These stone blocks were brought from sandstone quarries located on the other side of the Nile. Some chamber roofs are made of fifty-four-ton granite blocks, twenty-seven feet long and four feet thick, hauled from a quarry six hundred miles away, and set two hundred feet above ground. It is reported that the sides of the square base of the pyramid involve a relative error of less than one fourteen thousandth, and that the relative error in the right angles at the corners does not exceed one twenty-seven thousandth.

Of course, the engineering skill implied by these impressive statistics is considerably diminished when we realize that the task was accomplished by an army of 100,000 laborers working for a period of thirty years. For example, the seemingly difficult problem of raising the great stone blocks to ever higher positions as the structure of the pyramid grew was probably very simply met by constantly keeping the rising pyramid submerged in imported sand, hauling the blocks on rollers up a gradual incline of this sand, and then finally removing all the imported sand. Given sufficient time and sufficient labor power, many difficult feats can be done in a simple and primitive fashion. Nevertheless, the engineering problems had to be overcome one way or another. Consider, for instance, the mammoth engineering problems encountered by the Egyptians in quarrying and setting up some of their huge obelisks of pink granite. The largest existing obelisk appears before the old Temple of the Sun at Thebes; it was quarried about 1500 B.C. and is no less than 105 feet long, nearly 10 feet square at the base, and weighs about 430 tons!

相关题目

  • 题目:无
  • 提示:无
  • 解答或证明:无

(原书未给出题目、提示或证明。)

我们可以从故事中思考什么

  • 金字塔底边误差1/14000、直角误差1/27000意味着什么?这些数字在古代有多精确?
  • 用填沙斜坡法运送巨石,体现了怎样的数学与工程思想?
  • 10万劳工工作30年才能完成,这说明大型工程背后除了技术,还需要什么?

核心知识点讲解:相对误差与精度

选择理由

故事用两个具体数据突出金字塔的建造精度:底边相对误差小于1/14000,直角偏差不超过1/27000。这是学生首次在数学史语境中接触“相对误差”概念,具有很强的直观性。

概念介绍

相对误差是指测量值与真实值(或标准值)之差与真实值的比值。它表示测量偏离标准程度的比例,常用于评价精度。相对误差越小,说明越精确。

具体内容

  • 底边相对误差 < 1/14000:若底边标准长度为 L,则实际长度与 L 的差距小于 L/14000。
  • 直角偏差 < 1/27000:若将直角视为90°,则实际角度与90°的偏差小于 90°/27000 ≈ 0.0033°。
  • 这些精度在古代无现代仪器的情况下极为惊人。

应用场景

  • 工程测量:桥梁、建筑、隧道施工都需要控制误差。
  • 制造业:零件尺寸公差常用相对误差表示。
  • 天文观测:古代天文学家通过长期观测把角度误差控制到很小。

与生活的联系

  • 裁缝量体裁衣时,误差几厘米可能很明显;但相对于整件衣服,相对误差可能很小。
  • 地图上1厘米的偏差,在小区平面图中很大,在世界地图上几乎可忽略。

主要思想方法与延伸讨论

主要思想方法

  • 数量级估算:通过大数字(200万块石、10万劳工、30年)感受工程规模。
  • 相对误差分析:用比例而非绝对差值评价精度。
  • 归纳推理:从具体建筑数据推测古埃及人的工程能力。

延伸讨论

  • 现代建筑如何保证直角和边长的精度?使用哪些仪器和方法?
  • 如果金字塔底边长约为230米,1/14000的误差大约是多少毫米?
  • 方尖塔从采石场到竖立,涉及哪些力学与几何问题?