勾股數,又名畢氏三元數(Pythagorean triple),指能夠構成直角三角形三條邊的三個正整數。勾股數滿足勾股定理,即直角三角形兩條直角邊a、b的平方和等于斜邊c的平方(a2+b2=c2),常見的勾股數有(3,4,5)(5,12,13)等,其中(3,4,5)俗稱“勾三,股四,弦五”。
歷史
中國
勾股數與勾股定理在中國有著悠久的歷史,中國古代將較短的直角邊稱為勾,較長直角邊稱為股,而斜邊稱為弦,故稱指能夠構成直角三角形三條邊的三個正整數為“勾股數”。
中國關于勾股數的最早記載為《周髀算經》的卷首中,西周開國時期的大夫商高在與周公對話時提到:“故折矩,以為勾廣三,股修四,徑隅五。”
中國關于普遍勾股定理的最早記載為《周算經》的第二卷中,陳子在與榮方對話時提到測日法:“若求邪至日者,以日下為勾,日高為股,勻股各自成,并而開方除之。得邪至日,從所衰至日所十萬里。”在陳子的時代,認為地是平的,太陽垂直照射于地,垂足叫日下點,觀測點、日下點、太陽三點構成直角三角形中日高為股,日下為勾,則勾股平方和的開方為邪至日。
《九章算術》第九卷中也包含了勾、股、弦以及三者關系等內容,所設勾股數僅互質的就有八組之多。
西方
西方關于勾股數的最早記載為Plimpton 322泥板上的數,表明巴比倫在公元前1700年已發現勾股定理。勾股定理在西方被稱為Pythagoras定理,它以公元前6世紀希臘哲學家和數學家的名字命名。
拜占庭學者Proclus(公元5世紀)在其數學史專著中指出 “ 希臘Rhodes島的Eudemus(公元前4世紀)稱Pythagoras學派發明此定理,所以勾股定理在西方被稱為畢達哥拉斯定理,因此勾股數別名“畢氏三元數”。希臘利奧六世柏拉圖(公元前427一前347年)對此定理僅就其特殊情況作了圖證”。
西方對勾股定理的明文記載始見于Euclid (公元前330一前275年)《幾何原本》,他利用圖形分割、全等三角形以及面積關系等知識進行演繹推理。
定義
勾股數指能夠構成直角三角形三條邊的三個正整數,根據勾股定理,。
常見勾股數
公式
基本公式
,,,其中
證明方法
假設,且
所以中必有一個偶數,不妨設,等式化為
為偶數,則同奇偶,作代換:,顯然M,N為正整數
假設不成立,即存在質數,使得,
那么, 從而, 從而
這與矛盾,所以得證
根據算術基本定理:一個大于1的正整數n,如果它的標準分解式為,那么它的正因數個數為
,其中等均為偶數,等均為質數
如果對于某個,的因子為奇數個,則對應的因子必為奇數個
從而,,矛盾
則對于所有質因子,,即M,N都是平方數
則不妨設,從而有
解得,
應用
無法通過公式計算出所有的基本勾股數和派生勾股數,例如3,4,5;6,8,10;9,12,15等勾股數就不能全部被公式覆蓋。
相關推論
通過同乘以任意整數的方法求得所有解:
其中,,m和n必須為一奇一偶,t為正整數
(參考資料)
完全公式
,
當m為奇數時,k={1,的所有小于m的因子}
當m為偶數時,k={的所有小于m的偶數因子}
不同勾股數(a,b,c)的組數N等于k的可取值個數,可由算數基本定理求出
算數基本定理:一個大于1的正整數n,如果它的標準分解式為,那么它的正因數個數為
當m為奇數時,
當m為偶數時,
其中,為互不相同的奇素數,為冪指數。
應用
求出基本勾股數與派生勾股數,以及勾股數的組數。
舉例
當m為偶數432時,k={的所有小于432的偶數因子}= {2,4,6,8,12,16,18,24,32,36,48,54,64,72,96,108,128,144,162,192,216,288,324,384}
將及24組不同k值分別代入,求得b、c
即得直角邊時的基本勾股數與派生勾股數。
(參考資料)
簡便求解方法
類型一
公式
當a為大于1的奇數2n+1時,b=2n2+2n,c=2n2+2n+1,即把a的平方數拆成兩個連續自然數b和c。
舉例
n=1時
n=2時
n=3時
…以此類推
特點
此外由于兩個連續自然數必然互質,則此方法得到的勾股數組全部是互質的
類型二
公式
當a為大于4的偶數2n時,b=n2-1,c=n2+1,即把a的一半的平方分別減1和加1。
舉例
n=3時
n=4時
n=5時
…以此類推
特點
此外當n為奇數時,由于(a,b,c)是三個偶數,得到的勾股數組必然不是互質的;
當n為偶數時,由于b、c是兩個連續奇數必然互質,得到的勾股數組互質。
推廣
若想得到互質的數組,求解方法為:對于 (),,例如:
n=2時
n=3時
n=4時
…以此類推
(參考資料)
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