勾股数
勾股数,又名毕氏三元数(Pythagorean triple),指能够构成直角三角形三条边的三个正整数。勾股数满足勾股定理,常见的勾股数有(3,4,5)(5,12,13)等。
历史
中国
勾股数与勾股定理在中国有着悠久的历史,中国古代将较短的直角边称为勾,较长直角边称为股,而斜边称为弦,故称指能够构成直角三角形三条边的三个正整数为“勾股数”。
中国关于勾股数的最早记载为《周髀算经》的卷首中,西周开国时期的大夫商高在与周公对话时提到:“故折矩,以为勾广三,股修四,径隅五。”
中国关于普遍勾股定理的最早记载为《周算经》的第二卷中,陈子在与荣方对话时提到测日法:“若求邪至日者,以日下为勾,日高为股,匀股各自成,并而开方除之。得邪至日,从所衰至日所十万里。”在陈子的时代,认为地是平的,太阳垂直照射于地,垂足叫日下点,观测点、日下点、太阳三点构成直角三角形中日高为股,日下为勾,则勾股平方和的开方为邪至日。
《九章算术》第九卷中也包含了勾、股、弦以及三者关系等内容,所设勾股数仅互质的就有八组之多。
西方
西方关于勾股数的最早记载为Plimpton 322泥板上的数,表明巴比伦在公元前1700年已发现勾股定理。
拜占庭学者Proclus(公元5世纪)在其数学史专著中指出 “ 希腊Rhodes岛的Eudemus(公元前4世纪)称Pythagoras学派发明此定理,所以勾股定理在西方被称为毕达哥拉斯定理,因此勾股数别名“毕氏三元数”。希腊利奥六世柏拉图(公元前427一前347年)对此定理仅就其特殊情况作了图证 ”。
西方对勾股定理的明文记载始见于Euclid (公元前330一前275年)《几何原本》,他利用图形分割、全等三角形以及面积关系等知识进行演绎推理。
定义
勾股数指能够构成直角三角形三条边的三个正整数,根据勾股定理,。
常见勾股数
公式
基本公式
,,,其中
证明方法
假设,且
所以中必有一个偶数,不妨设,等式化为
为偶数,则同奇偶,作代换:,显然M,N为正整数
假设不成立,即存在质数,使得,
那么, 从而, 从而
这与矛盾,所以得证
根据算术基本定理:一个大于1的正整数n,如果它的标准分解式为,那么它的正因数个数为
,其中等均为偶数,等均为质数
如果对于某个,的因子为奇数个,则对应的因子必为奇数个
从而,,矛盾
则对于所有质因子,,即M,N都是平方数
则不妨设,从而有
解得,
应用
可以用于求解所有的基本勾股数,但无法得到所有的派生勾股数。
相关推论
通过同乘以任意整数的方法求得所有解:
其中,,m和n必须为一奇一偶,t为正整数
(参考资料)
完全公式
,
当m为奇数时,k={1,的所有小于m的因子}
当m为偶数时,k={的所有小于m的偶数因子}
不同勾股数(a,b,c)的组数N等于k的可取值个数,可由算数基本定理求出
算数基本定理:一个大于1的正整数n,如果它的标准分解式为,那么它的正因数个数为
当m为奇数时,
当m为偶数时,
其中,为互不相同的奇素数,为幂指数。
应用
求出基本勾股数与派生勾股数,以及勾股数的组数。
举例
当m为偶数432时,k={的所有小于432的偶数因子}= {2,4,6,8,12,16,18,24,32,36,48,54,64,72,96,108,128,144,162,192,216,288,324,384}
将及24组不同k值分别代入,求得b、c
即得直角边时的基本勾股数与派生勾股数。
(参考资料)
简便求解方法
类型一
公式
当a为大于1的奇数时,
举例
n=1时
n=2时
n=3时
…以此类推
特点
此外由于两个连续自然数必然互质,则此方法得到的勾股数组全部是互质的
类型二
公式
当a为大于4的偶数2n时,,即把a的一半的平方分别减1和加1
举例
n=3时
n=4时
n=5时
…以此类推
特点
此外当n为奇数时,由于(a,b,c)是三个偶数,得到的勾股数组必然不是互质的;
当n为偶数时,由于b、c是两个连续奇数必然互质,得到的勾股数组互质。
推广
若想得到互质的数组,求解方法为:对于 (),,例如:
n=2时
n=3时
n=4时
…以此类推
(参考资料)