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【趣味数学题】勾股数

2021-11-19 10:13 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛(Tao Steven Zheng)著

【问题】

勾股数,又名毕氏三元数(Pythagorean triples),是可以构成一个直角三角形三条边的三个正整数 (a%2Cb%2Cc);因此,(a%2Cb%2Cc) 满足 a%5E2%20%2B%20b%5E2%20%3D%20c%5E2。古巴比伦泥板书 Plimpton 322 列出历史上最古老的勾股数数表 (约公元前 1800 年)。

Plimpton 322 泥板书

推导出本原勾股数 (primitive Pythagorean triples)公式

(a%2Cb%2Cc)%20%3D%20(2mn%2C%20m%5E2-n%5E2%2C%20m%5E2%2Bn%5E2)

其中 %5Cgcd(m%2C%20n)%3D1%5Cgcd(a%2Cb%2Cc)%3D1


【题解】

从勾股定理的两侧减去 b%5E2 :

a%5E2%20%3D%20c%5E2%20-%20b%5E2

然后分解成

a%5E2%20%3D%20(c%2Bb)(c-b)

除以 a%5E2 得:

1%20%3D%20%5Cleft(%5Cfrac%7Bc%2Bb%7D%7Ba%7D%5Cright)%5Cleft(%5Cfrac%7Bc-b%7D%7Ba%7D%5Cright)

如果 %5Cfrac%7Bc-b%7D%7Ba%7D%20有理数(rational number),那么 %20%5Cfrac%7Bc-b%7D%7Ba%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bn%7D%7Bm%7D%5Cfrac%7Bc%2Bb%7D%7Ba%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bm%7D%7Bn%7D,其中%5Cgcd(m%2Cn)%20%3D%201

所以 %5Cfrac%7Bc%7D%7Ba%7D%20-%20%5Cfrac%7Bb%7D%7Ba%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bn%7D%7Bm%7D%5Cfrac%7Bc%7D%7Ba%7D%20%2B%20%5Cfrac%7Bb%7D%7Ba%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bm%7D%7Bn%7D

(1)相加以上两个表达式,得

2%5Cleft(%5Cfrac%7Bc%7D%7Ba%7D%5Cright)%20%20%3D%20%5Cfrac%7Bm%5E2%20%2B%20n%5E2%7D%7Bmn%7D

%5Cfrac%7Bc%7D%7Ba%7D%20%20%3D%20%5Cfrac%7Bm%5E2%20%2B%20n%5E2%7D%7B2mn%7D

因为本原勾股数(primitive Pythagorean triples) %5Cgcd(a%2Cc)%20%3D%201 ;我们可以推得 %20a%20%3D%202mnc%20%3D%20m%5E2%20%2B%20n%5E2%20


(2)减去以上两个表达式,得

2%5Cleft(%5Cfrac%7Bb%7D%7Ba%7D%5Cright)%20%20%3D%20%5Cfrac%7Bm%5E2%20-%20n%5E2%7D%7Bmn%7D

%5Cfrac%7Bb%7D%7Ba%7D%20%20%3D%20%5Cfrac%7Bm%5E2%20-%20n%5E2%7D%7B2mn%7D

因为本原勾股数(primitive Pythagorean triples) %5Cgcd(a%2Cb)%20%3D%201 ;我们可以推得 %20a%20%3D%202mnc%20%3D%20m%5E2%20-%20n%5E2%20


因此,本原勾股数公式是

(a%2Cb%2Cc)%20%3D%20(2mn%2C%20m%5E2-n%5E2%2C%20m%5E2%2Bn%5E2)%20


可以采用同乘以任意整数 k 来推得一般勾股数公式

(a%2Cb%2Cc)%20%3D%20%5Cleft(2kmn%2C%20k(m%5E2-n%5E2)%2C%20k(m%5E2%2Bn%5E2)%5Cright)





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