畢達(dá)哥拉斯定理(勾股定理)是人們?cè)跀?shù)學(xué)上學(xué)到的第一個(gè)定理:如果有一個(gè)直角三角形,則最長(zhǎng)邊(斜邊)的平方將始終等于其他兩個(gè)邊的平方和。它適用的第一個(gè)整數(shù)組合是邊3、4和5的三角形:32+42=52。 這也適用于其他數(shù)字組合,包括:
5、12和13
6、8和10
7、24和25
還有更多。但是3、4和5是特殊的:它們是遵循勾股定理的唯一連續(xù)整數(shù)。事實(shí)上,它們是唯一 一個(gè)連續(xù)的整數(shù),能讓你解出方程a2+b2=c2。 但是,如果在等式兩側(cè)允許包含更多的數(shù),例如a2+b2+c2=d2+e2。值得注意的是,有一個(gè)且只有一個(gè)解決辦法:102+112+122=132+142。 為什么呢?
查看畢達(dá)哥拉斯定理(勾股定理)最深入的方法之一就是考慮一個(gè)在所有邊上都有一定長(zhǎng)度的正方形:我們稱(chēng)該長(zhǎng)度為b。 該正方形的面積為b2,因?yàn)樵撜叫蔚拈L(zhǎng)度和寬度彼此相乘。如果我們要使a2+b2=c2,并且我們希望a,b和c均為連續(xù)數(shù)字,那么這對(duì)a和c施加了巨大的限制。
這意味著c必須等于(b + 1),而a必須等于(b-1),這是一個(gè)方程,我們只需一點(diǎn)代數(shù)就可以解決。
(b-1)2+(b)2=(b + 1)2,
b2-2b +1 +b2=b2+ 2b +1
b2-4b = 0。
因此,b必須等于0(這并不有趣)或4,其中4使我們返回我們?cè)瓉?lái)的畢達(dá)哥拉斯解決方案32+42=52。
但是您也可以以圖形方式解決此問(wèn)題。 如果從四邊都是b的正方形開(kāi)始,則可以將其分解為每條1單位粗的線(xiàn)。 因?yàn)橐粋€(gè)正方形有4個(gè)邊,所以您唯一的方法是將這些線(xiàn)添加到一個(gè)較小的正方形[在所有邊上都是(b-1)],并以一個(gè)更大的正方形結(jié)束[在所有邊上都是(b + 1) 邊]是指如果您有4個(gè)邊:每邊加一條。
上圖清楚地顯示了如何執(zhí)行此操作:
這是唯一可用于方程a2+b2=c2的連續(xù)整數(shù)的解決方案。如果您將中型正方形放大或縮小,則將錯(cuò)誤的線(xiàn)數(shù)放置在較小的正方形周?chē)允蛊涑砷L(zhǎng)為較大的正方形。它根本無(wú)法完成,對(duì)于a2+b2=c2,連續(xù)的整數(shù)3、4和5是唯一起作用的整數(shù)。
但是,為什么要限制自己只有三個(gè)數(shù)字呢? 對(duì)于任何奇數(shù)個(gè)連續(xù)整數(shù),您可能會(huì)找到滿(mǎn)足這種關(guān)系的連續(xù)整數(shù),例如:
等等。
實(shí)際上,如果您看一下第二種可能性,其中a2+b2+c2=d2+e2,您會(huì)發(fā)現(xiàn)只有一個(gè)和唯一 一個(gè)有效的數(shù)字組合:102+112+122=132+142。 左邊為100 + 121 + 144,總計(jì)為365,右邊為169 + 196,總計(jì)為365。
如果您打算用代數(shù)解決這類(lèi)方程,您仍然可以做到,但是可能要花一些時(shí)間。您最終會(huì)發(fā)現(xiàn)中間數(shù)字c必須為12(或0,這又是沒(méi)有意思的),因此有效的完整方程式為102+112+122=132+142。
但是,如果我們從較早以前回到相同的圖形方法,則可以以非常直觀的方式找到解決方案。
像以前一樣,我們將采用中間的“正方形”(其所有邊的長(zhǎng)度均為c)并將其分解為1單位粗的線(xiàn)。 與第一次使用此技巧不同,這次,我們需要使用以下兩條線(xiàn)將兩個(gè)正方形變成更大的正方形:
與上次一樣,要為第一個(gè)正方形完成此操作,我們總共需要四條線(xiàn),每條線(xiàn)的厚度為1單位。但是要在第二個(gè)正方形上完成此操作,我們需要4條線(xiàn),每條線(xiàn)的寬度為2個(gè)單位。
總而言之,這僅在中間“正方形”的厚度為12個(gè)單位的厚度時(shí)才有效,這就是為什么我們得到等式102+112+122=132+142。 如果您的直線(xiàn)是12單位乘1單位,那么您可以采用其中的4個(gè)(4×12 = 48)并將112轉(zhuǎn)換為132,因?yàn)?21 + 48 =169。類(lèi)似地,您可以采用8條這樣的線(xiàn)(8× 12 = 96),然后將102轉(zhuǎn)換為142,因?yàn)?00 + 96 =196。這是方程a2+b2+c2=d2+e2的連續(xù)整數(shù)的唯一解。
此時(shí),您可能會(huì)開(kāi)始看到一種模式,從數(shù)學(xué)的角度來(lái)看,這總是很有趣的。 如果我們采取下一步并詢(xún)問(wèn)繼續(xù)擴(kuò)展此方程式以包含更多數(shù)字的解決方案,我們將更清楚地看到它。
換句話(huà)說(shuō),我們?nèi)绾握业椒匠淌降慕?,a2 + b2 + c2 + d2 = e2 + f2 + g2?
如果采用類(lèi)似的方法,那么現(xiàn)在需要將三個(gè)較小的正方形變成較大的正方形:
假設(shè)現(xiàn)在,我們需要中間的“正方形”的長(zhǎng)度為4 + 8 + 12 = 24,這給我們帶來(lái)了我們懷疑應(yīng)該作為該方程式的解決方案的東西。 如果正確,則212+222+232+242=252+262+272。 當(dāng)我們進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí),我們看到這給了我們441 + 484 + 529 + 576 = 625 + 676 + 729,這將進(jìn)行檢出。 雙方都等于2030,這意味著它們彼此相等。
這些類(lèi)型的序列在數(shù)學(xué)中都有一個(gè)特殊的名稱(chēng),可以一直追溯到畢達(dá)哥拉斯定理和32+42=52的原始解:畢達(dá)哥拉斯(勾股)運(yùn)算。 序列中的中間數(shù)出現(xiàn)的模式一直保持到無(wú)窮大,直到它變?yōu)?、12、24、40、60、84、112等。因此,如果您想知道下一個(gè)序列 滿(mǎn)足這些類(lèi)型的方程式的數(shù)字是:
等等。 看起來(lái)像是瘋狂的數(shù)學(xué)巧合實(shí)際上具有深刻而直接的解釋。
一年有365天(非閏年),而102+112+122=132+142=365。然而,這一數(shù)學(xué)事實(shí)與我們的歷法完全沒(méi)有關(guān)系,也與我們的行星繞太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)沒(méi)有關(guān)系。相反,一年中的天數(shù)在這里純粹是巧合,但數(shù)學(xué)關(guān)系是畢達(dá)哥拉斯幾何的直接結(jié)果,這比代數(shù)更容易可視化。
畢達(dá)哥拉斯剛開(kāi)始是a2+b2=c2,它具有3、4和5作為唯一求解它的連續(xù)數(shù)字。 但是,只要我們?cè)敢猓覀兙涂梢詳U(kuò)展它,而且對(duì)于每個(gè)方程式,我們可以寫(xiě)下奇數(shù)個(gè)數(shù),只有一個(gè)唯一的連續(xù)整數(shù)解。 這些畢達(dá)哥拉斯(勾股)運(yùn)算有一個(gè)聰明的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)控制它們,并且通過(guò)了解正方形的工作原理,我們可以了解為什么它們無(wú)法以其他任何方式表現(xiàn)。
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