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阿基米德

古希腊数学家、物理学家、工程师、发明家、天文学家
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阿基米德（希臘語：´Αρχιμήδης；前287年—前212年），希臘化時代的數學家、物理學家、發明家、工程師、天文學家[2]。出生於西西里島的敘拉古，據說他在亞歷山卓求學時期，發明了阿基米德式螺旋抽水機，今天的埃及仍在使用。第二次布匿戰爭時，羅馬大軍圍攻敘拉古，阿基米德死於羅馬士兵之手。

敘拉古的阿基米德
Ἀρχιμήδης
《沉思的阿基米德》（1620年費地（英語：Domenico Fetti）畫作）
《沉思的阿基米德》（1620年費地（英語：Domenico Fetti）畫作）
出生約前287 年
敘拉古
大希臘
逝世約前212 年 （大約75歲）
敘拉古
大希臘
知名於
科學生涯
研究領域

阿基米德對數學和物理學的影響極為深遠，被視為古希臘最傑出的科學家[3][4]。美國數學史學家埃里克·坦普爾·貝爾在其《數學大師》一書中將阿基米德與牛頓和高斯並列為有史以來最偉大的三位數學家[5]。

傳記

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阿基米德於約前287年出生於意大利南部海岸的港口城市敘拉古，當時是大希臘的自治殖民地。其生日是根據拜占庭希臘裔歷史學家約翰·策策斯（英語：John Tzetzes）的阿基米德活了75歲的說法推算的。[6] 依照阿基米德的《數沙子（英語：The Sand Reckoner）》，阿基米德之父名為菲迪亞斯（希臘文：Φειδίας，Pheidias），是一個天文學家，除此之外我們對其一無所知。普魯塔克於《名人傳》中寫道，阿基米德與敘拉古的統治者希倫二世有血緣關係。[7]其友赫拉克利特（Heracleides）為阿基米德撰寫的傳記已經失傳，使他生活點滴成為謎團。[8] 我們無從得知他是否結婚，或育有後代。他在年輕時可能曾在古埃及亞歷山卓學習，科農和埃拉托斯特尼是他的同輩。他把科農稱作是他的朋友，他在另兩本著作《機械理論方法（英語：Archimedes' use of infinitesimals）》和《奶牛問題（英語：Archimedes' cattle problem）》之引言裏提到了埃拉托斯特尼。[a]

 
《阿基米德之死》 （1815年，Thomas Degeorge（英語：Thomas Degeorge）畫作）[9]

約公元前212年，阿基米德死於第二次布匿戰爭中，當時馬克盧斯將軍領導的羅馬軍隊在歷時兩年攻城戰後佔領了敘拉古城。根據來自普魯塔克的知名說法：當城市被佔領時，阿基米德還在思考一個數學畫圖（英語：mathematical diagram）問題。一名羅馬士兵要求他去面見馬克盧斯將軍。他拒絕了，說要完成這個難題。士兵憤怒難當，揮劍殺死了阿基米德。關於阿基米德之死，普魯塔克的一個不太出名說法認為他在嘗試向羅馬士兵投降的時候死亡。按照這個故事，阿基米德當時攜帶着數學儀器，士兵以為是什麼貴重物件，因而殺了他。依記載，馬克盧斯將軍對阿基米德之死感到很生氣，他認為阿基米德是重要的科學家並下令不得傷害他。[10]馬克盧斯曾稱阿基米德為「幾何學的巨人」。[11]

相傳阿基米德的遺言是「別打擾我的圓圈」，指當時他被羅馬士兵打擾時正在研究的數學畫圖法中的圓圈。在拉丁語中常作「Noli turbare circulos meos」，但沒有確鑿證據表明阿基米德確實說了這些話，這在普魯塔克的說法中也沒有出現。公元1世紀，瓦萊里烏斯·馬克西姆斯在《難忘的事跡名言》（英：Memorable Doings and Sayings）中記載為：「...sed protecto manibus puluere 'noli' inquit, 'obsecro, istum disturbare'」（「……以雙手保護着沙塵，說：『求你了，別打擾它！』」）。這句話對應的純正希臘語版本是"μὴ μου τοὺς κύκλους τάραττε!" （拉丁文轉寫：Mē mou tous kuklous taratte!）。[10]

 
Cicero Discovering the Tomb of Archimedes （1805年，本傑明·韋斯特畫作）

阿基米德之墓上刻着其最喜愛的數學證明的雕塑，包括高度、直徑相同的球面和圓柱體。他曾證明球表面積等於其外切圓柱體側面表面積，球的體積是外切圓柱體體積的2/3。公元前75年，阿基米德死後137年，羅馬演說家西塞羅在西西里擔任財務官。他聽說了阿基米德之墓的故事，但當地沒有人能告訴他其之具體位置。最終，他在敘拉古的阿格里真托之門附近尋到其墓，無人照料，灌木叢生。西塞羅打掃了其墓，得以閱覽其上鐫刻的碑文和雕刻。[12] 1960年前期，敘拉古當地麗景酒店曾發現一座墳墓，據稱屬於阿基米德，但沒有任何證據可以表明這一點。如今，無人知曉其墓地的具體位置。[13]

「阿基米德傳」的標準版本，在他死後許久才由古羅馬歷史學家寫就。敘拉古攻城由波利比烏斯在記於其《通史》（英文：「Universal History」）中，大約在阿基米德死後70年寫就，此後被普魯塔克和蒂托·李維引用。此文主要着墨與其為保衛城市所建的「戰爭機器」，未有詳述阿基米德為人。[14]

生平

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亞歷山大里亞求學

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公元前287年，阿基米德出生在西西里島東南端的敘拉古城。阿基米德的父親是天文學家和數學家，所以他從小受家庭影響，十分喜愛數學。在當時古希臘的輝煌文化已經逐漸衰退，經濟、文化中心逐漸轉移到托勒密王朝的亞歷山大城，大概在他九歲時，父親送他到埃及的亞歷山大城唸書，亞歷山大城是當時西方世界的知識、文化中心，學者雲集，舉凡文學、數學、天文學、醫學的研究都很發達，阿基米德在這裏隨許多著名的數學家學習，包括有名的幾何學大師歐幾里得。

回到敘拉古

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在經過許多年的求學歷程後，阿基米德回到故鄉敘拉古。據說敘拉古的國王希倫二世與阿基米德的父親是朋友，一說國王與他們是親戚關係。總之，阿基米德受到國王的禮遇，經常出入宮廷，並常與國王、大臣們暢談國事或閒話家常。阿基米德在這種優裕的環境下，作了幾十年的研究工作，並在數學、力學、機械方面取得了許多重要的發現與成就，成為上古時代歐洲最有創建的科學家。

據說阿基米德經常為了研究而廢寢忘食，走進他的住處，隨處可見數字和方程式，地上則是畫滿了各式各樣的圖形，牆上與桌上也無法倖免地成了他的計算板。

布匿戰爭時期

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公元前3世紀末，正是羅馬共和國與迦太基，為了爭奪西西里島的霸權而開戰的時期。地處西西里島的敘拉古一直都是投靠羅馬，但是公元前216年迦太基大敗羅馬軍隊，敘拉古的新國王希羅尼姆斯（英語：Hieronymus of Syracuse）（希倫二世的孫子），立即見風轉舵與迦太基結盟，羅馬共和國於是派馬克盧斯將軍領軍從海路和陸路同時進攻敘拉古。國難當前，保家衛國的責任感促使阿基米德奮起抗敵，於是他絞盡腦汁，日以繼夜的發明各種禦敵武器。

當時阿基米德造了巨大的起重機，可以將敵人的戰艦吊到半空中，然後重重摔下使戰艦在水面上粉碎；他還利用槓桿原理製造出一批投石機，凡是靠近城牆的敵人，都難逃他飛石與標槍的攻擊。這些武器弄得羅馬軍隊驚慌失措、人人害怕，連大將軍馬克盧斯也不得不承認「這是場羅馬艦隊與阿基米德一人的戰爭」、「阿基米德簡直是神話中的百手巨人」。

阿基米德之死

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由於久攻不下，馬克盧斯決定改變策略，以圍城的持久戰來斷絕城內糧食，這個妙計使得阿基米德也無可奈何。公元前212年，敘拉古城終於被羅馬軍隊攻陷。相傳羅馬軍隊進城時，阿基米德還在自家前的地上畫圖研究幾何問題。羅馬士兵走近沉思中的阿基米德，要求他立刻前去面見馬克盧斯，並踩壞了畫在沙地上的圖形。阿基米德大罵：「別碰我的圖！」士兵一氣之下便殺了阿基米德。

成就

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數學

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「Stomachion」是阿基米德再生羊皮書（英語：Archimedes Palimpsest）裏的一個類似七巧板的拼圖，由14塊碎片組成的幾何拼圖問題。

對於阿基米德來說，工程機械和物理上的發明只是次要的，他更感興趣而且投注更多時間的是純理論上的研究，尤其是在數學和天文學方面。在數學方面，他利用「逼近法」算出球表面積、球體積、拋物線、橢圓面積，後世的數學家依據這種方法加以發展成近代的「微積分」。他還研究出螺旋形曲線的性質，現今的「阿基米德螺線」曲線，就是為紀念他而命名。另外他在《數沙者》一書中，他創造了一套記錄龐大數目的方法，簡化了記數的方式。

經由研究阿基米德再生羊皮書（英語：Archimedes Palimpsest）上的文字，科學家發現了失傳的阿基米德手稿，並加以解讀。在殘卷《方法》命題14中，阿基米德提出無窮大的概念，是現代集合論的基礎。在殘卷《Stomachion》（中文譯名為「阿基米德小房[15]」，英文譯名直譯為「阿基米德盒子」）中，由教士約翰·麥隆納斯於公元1229 年4 月14 日抄寫，想在耶穌復活周年日，當作禮物獻給教會，阿基米德經由一種類似七巧板的圖形遊戲，研究以十四片碎片組成正方形的所有拼法（一共17152種方法，並可分成536個大類），成為組合學最早的開端。

當阿基米德經常被視為一個機械裝置的工程師時，他也做了有關於數學領域的貢獻。普魯塔克寫道：「他將他全部的情感和野心完全的投注在那些單純的猜測裏頭，而在那裏可能不需要有庸俗的生活。」

阿基米德使用無窮小量的數學分析方式，類似現在的微積分。通過反證法，他甚至可以讓問題的答案達到任意精確度，同時也給出答案所在的範圍。這種技術被稱為窮舉法，並且他使用這種方法計算出了圓周率的近似值。他做出圓的外接多邊型和內接多邊型。隨着多邊形的邊數增加，將會越來越接近圓。

阿基米德將歐幾里得提出的趨近觀念作了有效的運用，他提出圓內接多邊形和相似圓外切多邊形，當邊數足夠大時，兩多邊形的周長便一個由上，一個由下的趨近於圓周長。他先用六邊形，以後逐次加倍邊數，到了九十六邊形，阿基米德計算出其面積，並且指出圓周率的值:  <Π <  ；:也就是  [16]

他還證明了圓面積等於圓周率乘以半徑的平方。在球體和圓柱的研究中，阿基米德假設，一個任意的數在自加足夠多的次數之後，會大於任意一個給定的數。這被稱為實數的阿基米德性質。另外他算出球的表面積是其內接最大圓面積的四倍。而他導出圓柱內切球體的體積是圓柱體積的三分之二，這個定理就刻在他的墓碑上。

在其著作《圓的測量》中，阿基米德給出了3的平方根的近似值，介於265 ⁄ 153 (約為1.7320261)和1351 ⁄ 780 (約為1.7320512)之間。其實際值大約為1.7320508，這是一個非常準確的近似值。他直接給出了結果卻沒有給出任何計算方法的解釋。由此，約翰·沃利斯作出如下評價：「這就像是故意的，似乎阿基米德已經決定不向後人們透露他的算法的秘密，只是強迫他們接受他的結果。」

幾何學

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阿基米德是第一位講科學的工程師，在他的研究中，使用歐幾里得的方法，先假設，再得到結果，他不斷地尋求一般性的原則用於特殊的工程上。他的作品始終融合數學和物理，因此阿基米德成為物理學之父。

他應用槓桿原理於戰爭，保衛西拉斯鳩的事蹟是家喻戶曉的。而他也以同一原理導出部分球體的體積、回轉體的體積（橢球、回轉拋物面、回轉雙曲面），此外，他也討論阿基米德螺線（例如：蒼蠅由等速旋轉的唱盤中心向外走去所留下的軌跡），圓、球體、圓柱的相關原理，成就斐然。

天文學

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在天文學方面，阿基米德曾運用水力製作一座天象儀，球面上有日、月、星辰和五大行星，根據記載，這個天象儀不但運行精確，連何時會發生月食、日食都能加以預測。晚年的阿基米德開始懷疑地球中心學說(地心說)，並猜想地球有可能繞太陽轉動，這個觀念一直到哥白尼時代才被人們提出來討論。

其他

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手持圓規研究圖形的阿基米德。

雖然槓桿原理不是阿基米德發現的，但是他在他的衛面平衡研究中解釋了其工作原理。以亞里士多德的追隨者為主的逍遙學派學校中曾出現過更早的關於槓桿的描述，也有說是阿爾庫塔斯。根據帕普斯所述，阿基米德關於槓桿的研究曾引出過其非常著名的一句話：「給我一個支點，我可以舉起整個地球。」普魯塔克曾描述過阿基米德是如何設計滑輪機構的，該機構可以讓水手們利用槓桿原理提起那些過重的無法單憑人力搬運的物品。阿基米德也被認為曾改進過投射器的威力和準確度，並且發明了在第一次布匿戰爭中使用的計程器。這個計程器是一種車輛的形式，在每行駛過一定距離後車上的齒輪機構就會向特定容器中投入一個球。

西塞羅在他的對話錄《國家論》中曾大致提到過阿基米德，這部對話錄描述了一段發生在公元前129年的虛構的談話。公元前212年，據說在佔領敘拉古之後，馬庫斯·克勞狄斯·馬塞勒斯將軍將兩部用於天文學的機械裝置帶回了羅馬，這兩部裝置顯示了太陽，月亮和五個行星的運動。西塞羅還提到了由泰勒斯和歐多克索斯設計的類似裝置。對話錄表明，馬塞勒斯將其中一部機器據為已有，另外一部則捐贈給了羅馬的功德廟。馬塞勒斯持有的那一部後來被公開展示，據西塞羅說，加勒斯向斐勒斯（英語：Lucius Furius Philus）演示的過程被後者記錄如下

這是一段關於天象儀或是太陽系儀的描述。帕普斯曾說過，阿基米德有一些手稿（現已丟失）被命名為「球體製造」，其中有關於此類機械裝置的製造方法。在這方面的現代研究主要集中在安提基特拉機械上，這是另外一個可能出於相同目的而設計的古代機械。製造這類機械需要極其尖端的差動齒輪知識和技術。這曾一度被認為已經超出了古代的技術能力範疇，但1902年發現的安提基特拉機械可以證明早在古希臘這類裝置就已經出現了。

著作

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軼事

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真假皇冠

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主條目：阿基米德浮體原理
 
阿基米德可能使用了浮力的原理來判斷黃金王冠的密度是否小於等同質量的純金塊。

希倫二世國王，請金匠用純金打造了一頂純金王冠，做好了以後，吹哨者密報金匠造假摻了「白銀」在裏面，但是又不能把王冠毀壞來鑑定。阿基米德想了好久，一直沒有好方法，吃不下飯也睡不好覺。有一天，他在洗澡的時候發現，當他坐在浴盆裏時水位上升了，這使得他想到了：「上升了的水位正好應該等於王冠的體積，所以只要拿與王冠等重量的金子，放到水裏，測出它的體積，看看它的體積是否與王冠的體積相同，如果王冠體積更大，這就表示其中造了假，摻了銀。」

阿基米德想到這裏，不禁高興的從浴盆跳了出來，赤身裸體跑了出去，邊跑還邊喊着：「尤里卡，尤里卡！」（希臘語:εύρηκα，意即「發現了！」）然經過證明之後，王冠中確實含有白銀，阿基米德成功的揭穿了金匠的舞弊詭計，國王對他當然是更加的信服了。

後來阿基米德將這個發現進一步總結出浮力理論，為浮體學建立了基本的定理，並寫在他的《浮體論》著作裏，也就是：物體在流體中所受的浮力，等於物體所排開的流體的重量。

舉起地球

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阿基米德說過：「給我一個支點和槓桿，我可以鏟起整個地球。」

阿基米德對於機械的研究源自於他在亞歷山大城求學時期。有一天阿基米德在久旱的尼羅河邊散步，看到農民提水澆地相當費力，經過思考之後他發明了一種利用螺旋作用在水管裏旋轉而把水吸上來的工具，後世的人叫它做「阿基米德螺旋提水器」，埃及一直到二千年後的現在，還有人使用這種器械。這個工具成了後來螺旋推進器的先祖。

當時的歐洲，在工程和日常生活中，經常使用一些簡單機械，譬如螺絲、滑車、槓桿、齒輪等，阿基米德花了許多時間去研究，發現了「槓桿原理」和「力矩」的觀念，對於經常使用工具製作機械的阿基米德而言，將理論運用到實際的生活上是輕而易舉的。他曾說只要給他一個支點和棒子，他就可以舉起整個地球（當然這只是比喻，因為太空沒有重力）。

剛好此時國王希倫二世遇到了一個棘手的問題：他替埃及托勒密王造了一艘船，但因為船太大太重，無法放進海裏，國王就對阿基米德說：「你連地球都舉得起來，把一艘船放進海裏應該很容易吧？」於是阿基米德迅速地巧妙組合各種機械，造出一架機具。在一切準備妥當後，將牽引機的繩子交給國王，國王輕輕一拉，大船果然移動下水，國王不得不為阿基米德的天才所折服。從這個歷史故事我們可以知道，阿基米德可能是當時全世界對於機械的原理與運用，瞭解最透徹的人。

參見

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註釋

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a. ^ In the preface to On Spirals addressed to Dositheus of Pelusium, Archimedes says that "many years have elapsed since Conon's death." Conon of Samos lived c. 280–220 BC, suggesting that Archimedes may have been an older man when writing some of his works.

b. ^ The treatises by Archimedes known to exist only through references in the works of other authors are: On Sphere-Making and a work on polyhedra mentioned by Pappus of Alexandria; Catoptrica, a work on optics mentioned by Theon of Alexandria; Principles, addressed to Zeuxippus and explaining the number system used in The Sand Reckoner; On Balances and Levers; On Centers of Gravity; On the Calendar. Of the surviving works by Archimedes, T. L. Heath offers the following suggestion as to the order in which they were written: On the Equilibrium of Planes I, The Quadrature of the Parabola, On the Equilibrium of Planes II, On the Sphere and the Cylinder I, II, On Spirals, On Conoids and Spheroids, On Floating Bodies I, II, On the Measurement of a Circle, The Sand Reckoner.

c. ^ Boyer, Carl Benjamin A History of Mathematics (1991) ISBN 0-471-54397-7 "Arabic scholars inform us that the familiar area formula for a triangle in terms of its three sides, usually known as Heron's formula — k = √s(s − a)(s − b)(s − c), where s is the semiperimeter — was known to Archimedes several centuries before Heron lived. Arabic scholars also attribute to Archimedes the 'theorem on the broken chord' ... Archimedes is reported by the Arabs to have given several proofs of the theorem."

d. ^ "It was usual to smear the seams or even the whole hull with pitch or with pitch and wax". In Νεκρικοὶ Διάλογοι (Dialogues of the Dead), Lucian refers to coating the seams of a skiff with wax, a reference to pitch (tar) or wax.[17]

參考文獻

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  1. ^ Knorr, Wilbur R. Archimedes and the spirals: The heuristic background. Historia Mathematica（英語：Historia Mathematica） (愛思唯爾). 1978, 5 (1): 43–75. "To be sure, Pappus does twice mention the theorem on the tangent to the spiral [IV, 36, 54]. But in both instances the issue is Archimedes' inappropriate use of a "solid neusis," that is, of a construction involving the sections of solids, in the solution of a plane problem. Yet Pappus' own resolution of the difficulty [IV, 54] is by his own classification a "solid" method, as it makes use of conic sections." (page 48) 
  2. ^ Archimedes (c.287 - c.212 BC). BBC History. [2012-06-07]. （原始內容存檔於2018-10-04）. 
  3. ^ Calinger, Ronald. A Contextual History of Mathematics. Prentice-Hall. 1999: 150. ISBN 0-02-318285-7. Shortly after Euclid, compiler of the definitive textbook, came Archimedes of Syracuse (ca. 287 212 BC), the most original and profound mathematician of antiquity. 
  4. ^ Archimedes of Syracuse. The MacTutor History of Mathematics archive. 1999年1月 [2008-06-09]. （原始內容存檔於2013-06-20）. 
  5. ^ Bell, Eric Temple. Men of mathematics 1st Touchstone. Simon & Schuster. 1986-10-15. ISBN 9780671628185. 
  6. ^ Heath, T. L.（英語：T. L. Heath）, Works of Archimedes, 1897
  7. ^ 普魯塔克. Parallel Lives Complete e-text from Gutenberg.org. 古騰堡計劃. [2007-07-23]. （原始內容存檔於2007-07-11）. 
  8. ^ O'Connor, J.J.; Robertson, E.F. Archimedes of Syracuse. University of St Andrews. [2007-01-02]. （原始內容存檔於2007-02-06）. 
  9. ^ The Death of Archimedes: Illustrations. math.nyu.edu. New York University. [2018-11-17]. （原始內容存檔於2015-09-29）. 
  10. ^ 10.0 10.1 Rorres, Chris. Death of Archimedes: Sources. Courant Institute of Mathematical Sciences. [2007-01-02]. （原始內容存檔於2006-12-10）. 
  11. ^ Mary Jaeger. Archimedes and the Roman Imagination, p. 113.
  12. ^ Rorres, Chris. Tomb of Archimedes: Sources. Courant Institute of Mathematical Sciences. [2007-01-02]. （原始內容存檔於2006-12-09）. 
  13. ^ Rorres, Chris. Tomb of Archimedes – Illustrations. Courant Institute of Mathematical Sciences. [2011-03-15]. （原始內容存檔於2019-05-02）. 
  14. ^ Rorres, Chris. Siege of Syracuse. Courant Institute of Mathematical Sciences. [2007-07-23]. （原始內容存檔於9 June 2007）. 
  15. ^ 希思, T.L. 《阿基米德全集（修订版）》. 陝西科學技術出版社. 2010年12月. ISBN 978-7-5369-2342-3. 
  16. ^ 阿基米德原著 《量圓》 《中國數學史大系》 副卷第一 第二章 第三編 希臘 197-203頁
  17. ^ Casson, Lionel. Ships and seamanship in the ancient world. Baltimore: The Johns Hopkins University Press. 1995: 211–212 [2018-11-17]. ISBN 978-0-8018-5130-8. （原始內容存檔於2021-04-17）. 

延伸閱讀

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英文維基文庫中的《1911年版大英百科全書》條目：Archimedes

http://www.wilbourhall.org （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） 《阿基米德著作》Heiberg版的PDF掃描件，現屬公共領域]

外部連結

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