第VII部分 论物体的直线上升和下降

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命题XXXII 问题XXIV

假设向心力与位置离中心的距离的平方成反比,确定空间,它由直线下落的一个物体在给定的时间画出。

情形1 如果物体不竖直下落,此物体(由命题XIII系理1)画出其焦点与力的中心重合的圆锥截线。设那条圆锥截线为ARPB,其焦点为S。首先,如果图形为一个椭圆;在它的长轴AB上画半圆ADB,又直线DPC经过下落物体垂直于轴;再作DS,PS,面积ASD与面积ASP成比例,且因此亦与时间成比例。保持轴AB持续减小椭圆的宽度,则面积ASD总保持与时间成比例。那个宽度被减小以至无穷:现在轨道APB与轴AB,且焦点S与轴的端点B重合,物体在直线AC上下落,面积ABD变得与时间成比例。且因此空间AC被给定,物体由位置A竖直下落,在给定的时间画出这一空间,只要面积ABD取得与时间成比例,且由点D往直线AB上落下垂线DC。此即所求 。

情形2 如果那个图形RPB为双曲线,对同样的主直径AB画直角双曲线 (22) (hyperbola rectangula)BED;且因为面积CSP,CBfP,SPfB比面积CSD,CBED,SDEB,一个对一个,按照高度CP,CD的给定的比;又面积SPfB与时间成比例,在此期间物体P的运动经过弧PfB;面积SDEB亦与同样的时间成比例。减小双曲线RPB的通径以至无穷并保持横截径,则弧PB与直线CB,且焦点S与顶点B,以及直线SD与直线BD重合。因此,面积BDEB与时间成比例,在此期间物体C竖直下落画出直线CB。此即所求 。

情形3 由类似的论证,如果图形RPB为一条抛物线,且由同样的主顶点B画出另一条抛物线BED,它在前一抛物线,即物体P在其周线上运动的抛物线的通径减小并缩为零,曲线变为直线CB期间,总它保持给定;抛物弓形BDEB与时间成比例,在此期间那个物体P或者C落向中心S或者B。此即所求 。

命题XXXIII 定理IX

假设[以上的结果]今已求得,我说下落物体在任意位置C的速度比物体画出中心为B,间隔为BC的圆的速度,按照AC,物体离圆或者直角双曲线的那边的顶点A的距离,比图形的主半直径12AB的二分之一次比。

设两个图形RPB,DEB的公共直径AB被平分于O;并引直线PT,它切图形RPB于P,又截那条公共直径AB(必要时延长之)于T,SY与这条切线,又BQ与这条直径垂直,图形RPB的通径假设为L。由命题XVI的系理9,显然,物体在围绕中心S的曲线RPB上任意位置P的运动速度比物体围绕同一中心,画出间隔为SP的圆的速度按照矩形 L×SP比SY的正方形的二分之一次比。但由《圆锥截线 》,ACB比CPq 如同2AO比L,且因此(2CPq ×AO)/(ACB)等于L。所以那些速度彼此之比按照(CPq ×AO×SP)/(ACB)比SYquad. 的二分之一次比。再者,由《圆锥截线 》,CO比BO如同BO比TO,由合比或者分比,如同CB比BT。或者由分比,或者由合比,BO-或者+CO比BO如同CT比BT,亦即,AC比AO如同CP比BQ;且因此(CPq ×AO×SP)/(ACB)等于(BQq ×AC×SP)/(AO×BC)。现在图形RPB的宽度CP被减小以至无穷,使点P与点C,点S与点B,且直线SP与直线BC,直线SY与直线BQ重合;现在物体在直线CB上竖直下落的速度比物体画出中心为B,间隔为BC的圆的速度,按照(BQq ×AC×SP)/(AO×BC)比SYq 的二分之一次比,这就是(忽略等量之比SP比BC和BQq 比SYq )按照AC比AO或者 AB的二分之一次比。此即所证 。

系理1 点B与S重合时,TC比TS变成如同AC比AO。

系理2 一个物体在离中心的距离给定的任意圆上运行,当它自身的运动转化为向上的运动时,将上升到两倍于它自己离中心的距离。

命题XXXIV 定理X

如果图形BED为抛物线,我说下落物体在任意位置C的速度等于一个速度,由它一个物体能均匀地画出中心为B,间隔为BC之半的圆。

因为围绕中心S画出一条抛物线RPB的一个物体在任意位置P的速度(由命题XVI系理7)等于物体围绕同一中心以间隔SP之半均匀地画出圆的速度。抛物线的宽度CP被减小以至无穷,使得抛物线弧PfB与直线CB,中心S与顶点B,以及隔SP与间隔BC重合,则命题是显然的。此即所证 。

命题XXXV 定理XI

对同样的假设,我说图形DES的面积,它由不定的半径SD画出,等于一个面积,它能由一个物体围绕中心S,在半径等于图形DES的通径之半的轨道上均匀地运行,在相同的时间画出。

因为设想一个物体C在下落中在极短的时间段画出短线Cc,且在此期间另一个物体K围绕中心S运行,在圆OKk上均匀地画出弧Kk。竖立垂线CD,cd交图形DES于D,d。连结SD,Sd,SK,Sk,并引Dd交轴AS于T,又向它[Dd]落下垂线SY。

情形1 现在如果图形DES为圆或直角双曲线,它的横截直径 (23) (transversa diameter)AS被平分于O,则SO为通径之半,又因为TC比TD如同Cc比Dd,且TD比TS如同CD比SY,由错比,TC比TS如同CD×Cc比SY×Dd。但是(由命题XXXIII系理1)TC比TS如同AC比AO,如果依点D,d会合时线段所取的最终比计算。所以AC比AO或者SK如同CD×Cc比SY×Dd。再者,下落物体在C的速度比物体以间隔SC围绕中心S画出一个圆的速度,按照AC比AO或者SK的二分之一次比(由命题XXXIII)。且这个速度比物体画出圆OKk的速度按照SK比SC的二分之一次比(由命题IV系理6),再由错比,第一个速度比最后一个速度,这就是,短线Cs比弧Kk,按照AC比SC的二分之一次比,亦即按照AC比CD之比。所以CD×Cc等于AC×Kk,且因此AC比SK如同AC×Kk比SY×Dd,由是SK×Kk等于SY×Dd,则 SK×Kk等于 SY×Dd,亦即,面积KSk等于面积SDd。所以在生成两小块面积的小部分KSk和SDd的每一时间的小部分,如果它们的大小减小且数目增加以至无穷,得到等量之比,且所以(由引理IV系理)同时生成的总面积总相等。此即所证 。

情形2 但是,如果图形DES为抛物线,如同上面发现CD×Cc比SY×Dd如同TC比TS,这就是,如同2比1,且因此 CD×Cc等于 SY×Dd。但下落物体在C的速度等于一个速度,(由命题XXXIV)以它[物体]能均匀地画出间隔为 SC的一个圆。且这个速度比一个速度,以它[物体]能画出半径为SK的一个圆,这就是,线段Cc比弧Kk(由命题IV系理6)按照SK比 SC的,亦即,按照SK比 CD的二分之一次比。所以 Sk×Kk等于 CD×Cc,且因此等于 SY×Dd,这就是,面积KSk等于面积SDd,如同上面。此即所证 。

命题XXXVI 问题XXV

一个物体从一给定的位置A下落,确定它下降的时间。

在直径AS上画半圆ADS,[AS是]物体开始时离中心的距离,围绕中心S画与这个半圆相等的半圆OKH。从物体的任意位置C竖立纵标线CD。连结SD,且作扇形OSK等于面积ASD。显然由命题XXXV,在物体下落画出空间AC的相同时间里,另一个物体围绕中心S均匀地运转,能画出弧OK。此即所作 。

命题XXXVII 问题XXVI

一个物体从一给定的位置向上或者向下抛掷,确定它上升或者下降的时间。

设物体沿直线GS以任意速度从给定位置G离去。按照这个速度比物体能围绕中心S,以给定的间隔SG在一个圆上均匀运行的速度的二次比,取GA比 AS。如果那个比是数2比1,点A无限遥远,在这种情况应画出顶点为S,轴为SG,通径任意的抛物线。由命题XXXIV这是显然的。若不然那个比小于或者大于2比1,前一种情况应为画在直径SA之上的一个圆,后一种情况为画在直径SA之上的直角双曲线。这由命题XXXIII是显然的。然后以S为中心,以等于通径之半的间隔画圆HkK,并在物体下落或者上升的位置G,及另一个任意位置C,竖立垂线GI,CD交圆锥截线或者圆于I及D。再连结SI,SD,使扇形HSK,HSk [分别]等于弓形SEIS,SEDS,则由命题XXXV,在物体G画出空间GC的相同时间内,物体K能画出弧Kk。此即所作 。

命题XXXVIII 定理XII

假设向心力与位置离中心的高度或者距离成比例,我说[物体]下落的时间,速度,以及画出的空间分别与弧,及弧的正弦和正矢成比例。

设物体由任意位置A沿直线AS下落;且以力的中心S,间隔AS画四分之一圆AE,且CD为任意弧AD的正弦;则物体A下落,在时间AD画出空间AC,又在位置C获得速度CD。

这由命题X所证明,模式正如命题XXXII由命题XI所证明。

系理1 因此时间是相等的,在此期间一个物体从位置A下落前进到中心S,且另一环绕物体画出四分之一圆周的弧ADE。

系理2 因此所有的时间是相等的,在此期间物体无论从任何位置下落直达中心S。因为所有环绕物体的循环时间(由命题IV系理3)相等。

命题XXXIX 问题XXVII

假设任意种类的向心力,并且许可曲线图形的求积 (24) (quadratura);需求直线上升或者下降的物体在每个位置的速度,以及时间,在此期间物体到达任意一个位置;并求逆问题。

设物体E由任意位置A在直线ADEC上下落,又由它的位置E总竖立垂线EG,与在那个位置与趋向中心C的向心力成比例:BFG为一条曲线,点G持续触及它。且在运动开始时EG与垂线AB重合,则物体在任意位置E的速度如同一条直线,它能作成曲线形的面积 (25) (quæ potest aream curvilineam)ABGE。此即所求 。

在EG上取直线EM,它能作成与面积ABGE成反比的面积,VLM为一条曲线,点M持续触及它,且它的渐近线为AB的延长;则时间,在此期间下落物体画出直线AE,如同曲线形的面积ABTVME。此即所求 。

因为在直线AE上取给定长度的极短的线DE,且当物体曾经在D时,设DLF是直线EMG的位置;然后,如果向心力,使能作成面积ABGE的直线如同下落速度:则面积自身按照速度的二次比,亦即,如果在D和E的速度被写作V和V+I,则面积ABFD如同VV,且面积ABGE如同VV+2VI+II,由分比(divisim),面积DFGE如同2VI+II,且因此(DFGE)/(DE)如同[(2VI)+(II)]/(DE),亦即,如果取初生成的量的最初比,则长度DF如同量(2VI)/(DE),因此亦如同此量之半(I×V)/(DE)。但是时间,在此期间下落物体画出短线DE,与那条短线成正比,且与速度V成反比,又,力与速度的增量I成正比且与时间成反比,且因此如果取初生成的量的最初比,如同I×VDE,这就是,如同长度DF。所以,与DF或者EG成比例的一个力使物体的以一个速度下落,它如同能作成面积ABGE的直线。此即所证 。

此外,由于时间,在此期间任意给定长度的短线DE被画出,与速度成反比,且因此反比于能作成面积ABFD的直线;又DL,且因此初生成的面积DLME,与同一直线成反比:时间如同面积DLME,且所有时间的和如同所有面积的和,这就是,(由引理IV的系理)整个时间,在此期间直线AE被画出,如同整个面积ATVME。此即所证 。

系理1 如果设P为一个位置,物体应由此下落,在某一均匀的已知的向心力(如通常假设的重力)推动下它在位置D获得的速度等于一个速度,它能由另一物体在同一位置D获得,无论它由何种力下落,且在垂线DF上取DR,它比DF如同那个均匀的力比在位置D的另一个力,再补足矩形PDRQ,并割下面积ABFD等于它;则A为另一物体下落的位置。因为补足矩形DRSE,由于面积ABFD比面积DFGE如同VV比2VI,且因此如同 V比I,亦即,如同整个速度的一半比物体由不等的力下落时速度的增量;并且类似地,面积PQRD比面积DRSE如同整个速度的一半比物体由均匀的力下落时速度的增量;且那些增量(由于在相等的时间生成)如同产生它们的力,亦即,如同纵标线DF,DR,且因此如同初生成的面积DFGE,DRSE;由错比,总面积ABFD,PQRD彼此如同整个速度的一半,由于速度相等,所以面积相等。

系理2 因此,如果任意一个物体由任意的位置D以给定的速度向上或者向下被抛射,且向心力的定律被给定,在其他任意一个位置e它的速度被发现:竖立纵标线eg,并取那个速度比在位置D的速度,如同直线,或者由它能作成矩形PQRD增加了曲线形的面积DFge,如果位置e低于位置D;或者矩形PQRD减少了曲线形的面积DFge,如果位置e高于位置D;比一条直线,由它只能作成矩形PQRD。

系理3 时间亦可由竖立与PQRD+或者-Dfge的平方根成反比的纵标线em得知,且取时间,在此期间物体画出直线De,比一段时间,在此期间另一物体由一均匀的力从P下落到达D,如同曲线形的面积DLme比矩形2PD×DL。因为时间,在此期间物体由均匀的力画出直线PD,比一段时间,在此期间同一物体画出直线PE,按照PD比PE的二分之一次比,亦即(短线DE刚刚生成)按照PD比PD+ DE或者2PD比2PD +DE,则由分比,[物体画出直线PD的时间]比一段时间,在此期间同一物体画出短线DE,如同2PD比DE,且因此如同矩形2PD×DL比面积DLME;且时间,在此期间两物体画出短线DE,比一段时间,在此期间其中一个物体以不等的运动画出直线De,如同面积DLME比面积DLme,又由错比,最初的时间比最后的时间如同矩形2PD×DL比面积DLme。