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《趣味代数学》勾股数
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2022.07.03 广西

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测量土地的人员在地上画垂线时,通常会用到一种既方便省力,精确度又高的方法:
如图14所示,假设要通过点A做一条直线,使其垂直于MN,设有任意距离a,在AM上取点B,使BA的距离为3a。取一条足够长的绳子,打两个绳结,使两绳结之间的距离为4a,再打第三个绳结,使第二、第三个绳结间的距离为5a。将第一和第三个绳结分别固定在A点和B点上,用手抓住第二个绳结将绳子拉紧,绳子就被拉成了一个直角三角形,角A为直角。
图14 用勾股定理来求解实际问题
古代的时候就已经有这种方法了,几千年前古埃及的建筑师在建造金字塔时就曾使用过,那么这种方法的原理是什么呢?
根据勾股定理,对任意一个三角形来说,如果它的三条边的长度成3:4:5的比例,这个三角形就一定是直角三角形,因为:32+42=52。
事实上,满足关系式
的正整数a、b、c除了3、4、5之外还有很多,这些数被称为“勾股数”,也称为“毕达哥拉斯数”。根据勾股定理,这些数可被视为直角三角形的边长,其中a与b是“直角边”,c是“斜边”。
显然,如果a、b、c是一组整数勾股数,那么pa、pb、pc也是一组整数勾股数(p是整数乘数)。反过来讲,如果一组整数勾股数共有同一个公因数,那么这一组数同时除以这个公因数,就会得到一组新的整数勾股数。既然如此,我们只需讨论一组互为素数的整数勾股数就可以了,因为所有非素数的整数勾股数都是由素数勾股数乘上整数得来的。
任何一组整数勾股数a、b、c中的两个直角边,总会有一个是奇数,而另一个是偶数。现在我们用反证法来证明一下这个结论的正确性。
假设两个直角边a与b都是偶数,那么a2+b2肯定也是偶数,相应的,斜边也会是偶数。这就说明a、b、c有了公因数2,但这显然是违背勾股定理的,因此两条直角边a或者b中肯定有一个是奇数。
我们还可以假设两个直角边都是奇数,那么斜边就是偶数,这显然是不可能的。我们假设两条直角边是2x+1和2y+1,它们的平方和为:
这是一个被4除余数为2的数,这说明它不可能是偶数的平方,因为任何一个偶数的平方都是能被4整除的。或者说,两个偶数的平方之和不可能是另一个偶数的平方。换一个说法就是,我们所假设的这一组数不能构成整数勾股数。
所以说,a、b这两条直角边一奇一偶,a2+b2是奇数,这意味着斜边c也是奇数。
假设a是奇数,b是偶数,那么:
互为素数,证明这一点并不难。
c+b与c−b的和:
c+b与c−b的差:
c+b与c−b的积:
假设bc+与bc−共有一个不等于1的素因数,也就是说,2c、2b和a2共有一个公因数,但因为a是奇数,所以它们的公因数不可能是2。因此,也许a、b、c有公因数,但这是根本不可能的。这使我们的假设与现实之间产生了矛盾,而这种矛盾也恰恰表明,事实上bc+与bc−的确是互为素数的。
但有一点需要引起我们的注意,那就是如果我们把两个互为素数的数相乘,得到的乘积是一个完全平方数,那么它们中的任何一个都是一个平方数。即:
这个方程组的解为:
因此:
我们正在分析的整数勾股数的值为:
其中:m与n是一对互为素数的奇数。当然反过来说也是准确的,m与n可以为任何奇数,因为上面的三个表达式总会给出一组整数勾股数。
下面我们为读者列举一些当m与n为不同的奇数时得到的整数勾股数:
除此而外,其他的所有整数勾股数,不是含有公因数,就是含有大于100的数。
勾股数(毕达哥拉斯数)有很多令人感觉有趣的特性,我们再为大家介绍一个,但这里就不做证明了:
如果一条直角边小于3,另一条直角边小于4,那么斜边一定小于5。
如果你有兴趣的话,可以用我们刚刚使用过的勾股数来检验一下它的正确性。(俄.别莱利曼)
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