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        漫談勾股數(shù)

        2017-11-27 08:00:14
        初中生世界 2017年42期
        關(guān)鍵詞:通式股數(shù)條邊

        姚 潔

        漫談勾股數(shù)

        姚 潔

        勾股定理是人類歷史上光彩奪目的明珠,它是人類最早發(fā)現(xiàn)并用于生產(chǎn)、觀天、測地的第一個(gè)定理;它是聯(lián)系數(shù)學(xué)中最基本、最原始的兩個(gè)對象——數(shù)與形的第一定理;它揭示了無理數(shù)與有理數(shù)的區(qū)別,引發(fā)了第一次數(shù)學(xué)危機(jī);它開始把數(shù)學(xué)由計(jì)算與測量的技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎撟C與推理的科學(xué).滿足勾股定理方程a2+b2=c2的正整數(shù)組(a,b,c)就稱為勾股數(shù)組,簡稱勾股數(shù),也叫畢達(dá)哥拉斯數(shù).

        勾股方程a2+b2=c2中含有3個(gè)未知數(shù),方程的解不唯一.根據(jù)勾股定理,只要是直角三角形,三邊長都是它的解.本文只討論它的正整數(shù)解的情況,即勾股數(shù),以下全文均設(shè)勾股數(shù)中第一個(gè)數(shù)為a,第二個(gè)數(shù)為b,第三個(gè)數(shù)為c,且a<b<c.

        一、勾股數(shù)有公式可以計(jì)算嗎?

        1.a為奇數(shù).

        觀察下列勾股數(shù):(1)3,4,5;(2)5,12,13;(3)7,24,25;(4)9,40,41……可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn):①a為奇數(shù),且從3開始無間斷,b、c是連續(xù)自然數(shù);②a2=b+c.以上兩個(gè)特點(diǎn),為解決直角三角形的周長問題提供了方便.

        問題1:直角三角形的兩條直角邊為正整數(shù),其中一條短直角邊的長為13,求這個(gè)三角形的周長.

        很多同學(xué)看到只有一個(gè)條件,束手無策,其實(shí),根據(jù)特點(diǎn)①,我們可以設(shè)出另一條直角邊和斜邊,利用勾股定理列出方程,進(jìn)而求得周長.設(shè)另一條直角邊為x,則斜邊為x+1,列方程得132+x2=(x+1)2,解得x=84,則周長=182.或者根據(jù)特點(diǎn)②,我們可以先求出另一條直角邊與斜邊的和,進(jìn)而求得周長.

        在利用勾股定理解決直角三角形問題時(shí),掌握勾股數(shù)之間的特征,往往能事半功倍.進(jìn)一步研究3條邊的關(guān)系,我們可以發(fā)現(xiàn):

        能不能用代數(shù)式表示這3條邊呢?因?yàn)閍為 奇 數(shù) ,所 以 設(shè) a=2n+1(n>0),則2n2+2n+1,且 a2+b2=c2,至此,可以得出此類勾股數(shù)的公式:(2n+1,2n2+2n,2n2+2n+1).

        2.a為偶數(shù).

        觀察下列勾股數(shù):(1)6,8,10;(2)8,15,17;(3)10,24,26;(4)12,35,37……可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)特點(diǎn):①a為偶數(shù),且從6開始無間斷,b、c是連續(xù)奇數(shù)或連續(xù)偶數(shù);②a2=2(b+c).以上兩個(gè)特點(diǎn),也為求直角三角形的周長提供了方便.

        問題2:直角三角形的兩條直角邊為正整數(shù),其中一條短直角邊的長為16,求這個(gè)三角形的周長.

        根據(jù)特點(diǎn)①,我們可以設(shè)出另一條直角邊和斜邊,利用勾股定理列出方程,進(jìn)而求得周長.或者根據(jù)特點(diǎn)②,我們可以先求出另一條直角邊與斜邊的和,進(jìn)而求得周長.

        進(jìn)一步研究3條邊的關(guān)系,我們可以發(fā)現(xiàn):

        ……

        同樣,能否利用代數(shù)式表示這3條邊呢?因?yàn)?a為偶數(shù),所以設(shè) a=2n(n>2),則 b=且a2+b2=c2.至此,可以得出此類勾股數(shù)的公式(2n,n2-1,n2+1).

        3.勾股數(shù)的通式.

        下面,我們來更為深入地研究一下勾股數(shù).

        由勾股定理,一個(gè)數(shù)的平方等于另外兩個(gè)數(shù)的平方和,我們很自然地想到完全平方公式:(x+y)2=x2+y2+2xy①,(x-y)2=x2+y2-2xy②.

        但是勾股定理的左右兩邊一共只有三項(xiàng),且都是平方項(xiàng),而完全平方公式卻有四項(xiàng),如何消去一項(xiàng)呢?若將①+②,可得(x+y)2+(x-y)2=2x2+2y2,仍有四項(xiàng),不合適;若將①-②,可得(x+y)2-(x-y)2=4xy,即(x+y)2=(x-y)2+4xy,等式的左右兩邊成功變成了三項(xiàng),但不能保證4xy一定是平方項(xiàng).如何將4xy變成平方項(xiàng)?一個(gè)簡單而有效的方法就是令x=m2,y=n2,這樣,等式就變?yōu)椋╩2+n2)2=(m2-n2)2+(2mn)2,于是,一個(gè)滿足勾股定理的等式就產(chǎn)生了,勾股數(shù)可以用(m2-n2,2mn,m2+n2)表示,我們稱它為勾股數(shù)的通式,其中m、n為正整數(shù)且m>n.

        這時(shí),聰明的同學(xué)們就要問了,之前兩個(gè)公式是不是這個(gè)通式的特例呢?其實(shí),只要仔細(xì)觀察一下,不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)通式中的m=n+1時(shí),勾股數(shù)(m2-n2,2mn,m2+n2)=((n+1)2-n2,1),這就是第一個(gè)公式;當(dāng)通式中的 n=1時(shí),勾股數(shù)(m2-n2,2mn,m2+n2)=(m2-1,2m,m2+1),這就是第二個(gè)公式的變形.由特殊到一般,再由一般回歸特殊的研究策略,是同學(xué)們在以后的學(xué)習(xí)中要重點(diǎn)培養(yǎng)的一種數(shù)學(xué)意識.

        二、勾股數(shù)可以全是奇數(shù)嗎?

        我們已經(jīng)初步認(rèn)識了一些勾股數(shù),例如:(3,4,5)、(5,12,13)、(6,8,10)、(7,24,25)、(8,15,17)、(9,40,41)、(10,24,26)、(15,20,25)……那么,一組勾股數(shù)中有幾個(gè)奇數(shù)?幾個(gè)偶數(shù)?

        當(dāng)m、n均為奇數(shù)時(shí),則m2、n2也為奇數(shù),進(jìn)而m2-n2、m2+n2均為偶數(shù),此時(shí)三個(gè)勾股數(shù)均為偶數(shù);當(dāng)m、n均為偶數(shù)時(shí),則m2、n2也為偶數(shù),進(jìn)而m2-n2、m2+n2亦為偶數(shù),此時(shí)三個(gè)勾股數(shù)均為偶數(shù);當(dāng)m、n為一奇一偶時(shí),則 m2、n2也為一奇一偶,進(jìn)而 m2-n2、m2+n2均為奇數(shù),此時(shí)三個(gè)勾股數(shù)為一偶兩奇.可見,不可能出現(xiàn)三個(gè)勾股數(shù)均為奇數(shù)的情況.

        三、勾股數(shù)的分類

        我們發(fā)現(xiàn)有些勾股數(shù)的最大公約數(shù)為1,例如(3,4,5)、(5,12,13)、(8,15,17),此類勾股數(shù)被稱為本原勾股數(shù).有些勾股數(shù)的最大公約數(shù)大于 1,例如(6,8,10)、(10,24,26)、(15,20,25),此類勾股數(shù)被稱為派生勾股數(shù).派生勾股數(shù)是本原勾股數(shù)擴(kuò)大若干倍得來的,即若(a,b,c)是勾股數(shù),則(ka,kb,kc)也是勾股數(shù),其中k為正整數(shù).利用公式得到的勾股數(shù)是本原勾股數(shù),利用公式得到的勾股數(shù)既有本原勾股數(shù),也有派生勾股數(shù).

        此時(shí),我們再來回顧一下問題2.如果3條邊是本原勾股數(shù),則解法不變,周長為144;如果3條邊是派生勾股數(shù),可以先分解16,16=2×8=4×4,其中,a不可以等于2或4,當(dāng) a=8時(shí),本原勾股數(shù)為(8,15,17),則擴(kuò)大2倍后的派生勾股數(shù)為(16,30,34),此時(shí)周長為80.

        所以,在用勾股定理解決此類問題時(shí),要從本原勾股數(shù)與派生勾股數(shù)兩個(gè)角度去考慮.

        四、勾股數(shù)通式的局限性

        目前,勾股數(shù)的通式還是有局限性的,它可以推導(dǎo)出所有的本原勾股數(shù),但是不能推導(dǎo)出所有的派生勾股數(shù),例如(9,12,15)、(15,36,39)……

        同學(xué)們,加油吧,勾股數(shù)的奧秘正等待著你去發(fā)掘,神秘的數(shù)學(xué)世界正等待著你去征服!

        (作者單位:江蘇省常州市金壇區(qū)白塔中學(xué))

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