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mc1-045 · MATHEMATICS EXTENSION

毕达哥拉斯证明他的定理Pythagoras's proof of his theorem

数学学习拓展 约 8 分钟阅读 中文English

内容概述

  • 数学故事
  • 数学史 / 几何证明
  • 叙事 + 图注

传统一致认为,毕达哥拉斯独立发现了以他名字命名的直角三角形定理。不过早在汉谟拉比时代,巴比伦人已知道该定理;一般性的第一个证明则可能由毕达哥拉斯给出。后人推测其证明可能是“分割式证明”:将两个边长为 a+b 的大正方形分别分割成六块与五块,通过“等量减等量”得到斜边上正方形面积等于两直角边上正方形面积之和。要说明第二次分割中央部分确为边长 c 的正方形,还需用到直角三角形内角和等于两直角的性质。普罗克洛斯将一般情形下的该定理归功于毕达哥拉斯学派。

中文正文

45° 毕达哥拉斯证明他的定理

直角三角形斜边的平方等于两个直角边的平方之和,这个以毕达哥拉斯的名字命名的定理,一直被公认为他的独立发现。我们在故事 17 里看到,早在 1000 多年前,汉谟拉比时代的巴比伦人就已经知道这个定理了,不过它的第一个一般性的证明,则很可能是毕达哥拉斯提出的。至于毕达哥拉斯的证明,历来有许多猜想,一般认为它可能属于如下图所示的那种分割式的证明方法。令 a,b,c 为给定的直角三角形的直角边和斜边,考虑图中的两个正方形,边长都是 a+b。第一个正方形被分割成 6 块:两个以直角边为底的正方形,四个全等于原来的直角三角形。第二个正方形被分割为 5 块:一个以斜边为底的正方形和四个全等于原来的直角三角形。从相等的量中减去相等的量,我们就看到,斜边正方形的面积等于两个直角边正方形的面积之和。

为了证明第二个分割中央的那块东西确实是边长为 c 的正方形,我们需要借助一个事实:直角三角形三个角之和等于两个直角。关于这个定理的一般情形,希腊评论家普罗克洛斯(Proclus)却把它归功于毕达哥拉斯。因为这个定理的证明需要知道一些平行线的性质,而人们也相信毕达哥拉斯发展过那个理论。

18 在《周髀算经》开篇,商高答周公问时说,大禹治水时代就有了“故折矩以为勾,广三,股修四,径隅五”的“勾股定理”。如果那对话是真的,应该在公元前 1100 年左右。

英文正文

45° Pythagoras's proof of his theorem. Tradition is unanimous in ascribing to Pythagoras the independent discovery of the theorem on the right triangle that now universally bears his name, that the square on the hypotenuse of a right triangle is equal to the sum of the squares on the two legs. We have seen, in Item 17°, that this theorem was known to the Babylonians of Hammurabi's time, more than a thousand years earlier, but the first general proof of the theorem may well have been given by Pythagoras. There has been much conjecture as to the proof Pythagoras might have offered, and it is generally felt that it probably was a dissection type of proof* like the following, illustrated in Figure 5. Let a, b, c denote the legs and hypotenuse of the given right triangle, and consider the two squares in the figure, each having a + b as side. The first square is dissected into six pieces, namely the two squares on the legs and four right triangles congruent to the given triangle. The second square is dissected into five pieces, namely the square on the hypotenuse and again four right triangles congruent to the given triangle. By subtracting equals from equals, it now follows that the square on the hypotenuse is equal to the sum of the squares on the legs.

To prove that the central piece of the second dissection is actually a square of side c we need to employ the fact that the sum of the angles of a right triangle is equal to two right angles. But the Greek commentator Proclus attributes this theorem for the general triangle to the Pythagoreans. Since a proof of this theorem requires, in turn, a knowledge of some properties of parallels, the early Pythagoreans are also credited with the development of that theory.

See, however, Daniel Shanks, Solved and Unsolved Problems in Number Theory*, Vol. 1 (Washington, D.C.: Spartan Books, 1962), pp. 124, 125.

相关题目

  • 题目:无
  • 提示:无
  • 解答或证明:原书正文即给出毕达哥拉斯定理的一种分割式面积证明:以直角边 a、b 与斜边 c 构造两个边长为 a+b 的大正方形,第一个大正方形含两个直角边正方形与四个全等直角三角形,第二个含一个斜边正方形与四个全等直角三角形;由“等量减等量”得到斜边上正方形面积等于两直角边上正方形面积之和。详细证明过程见上方正文。

我们可以从故事中思考什么

  • 为什么巴比伦人虽然知道定理,却没有留下一般性证明?
  • 分割式证明的关键步骤是什么?
  • 毕达哥拉斯定理为什么被称为“最重要的数学定理之一”?

核心知识点讲解:毕达哥拉斯定理

选择理由

故事标题即为“毕达哥拉斯证明他的定理”,全文围绕毕达哥拉斯定理的发现史与分割式证明展开,因此“毕达哥拉斯定理”是贯穿本篇的核心数学知识点。

概念介绍

毕达哥拉斯定理(勾股定理)指出:在直角三角形中,斜边的平方等于两条直角边的平方和。若直角边为 a、b,斜边为 c,则有

a^2 + b^2 = c^2

具体内容

  1. 历史源流:

- 巴比伦人在汉谟拉比时代已知道该定理; - 中国《周髀算经》记载“勾三、股四、弦五”; - 传统将一般性证明归于毕达哥拉斯。

  1. 分割式证明:

- 构造两个边长为 a+b 的正方形; - 第一个正方形分成 6 块:两个直角边正方形 + 四个全等直角三角形; - 第二个正方形分成 5 块:一个斜边正方形 + 四个全等直角三角形; - 等量减等量,得斜边正方形面积等于两直角边正方形面积之和。

  1. 关键辅助事实:

- 直角三角形三内角之和等于两直角; - 证明还需平行线性质,因此普罗克洛斯将一般情形归功于毕达哥拉斯学派。

应用场景

  • 建筑与工程:测量直角、计算对角线长度;
  • 导航与定位:平面距离计算;
  • 物理学:矢量分解与合成。

与生活的联系

铺地砖、搭书架、判断墙角是否垂直、计算手机屏幕对角线长度等,都会用到直角三角形三边关系。

主要思想方法与延伸讨论

主要思想方法

  • 数形结合:用面积关系证明代数等式
  • 等量减等量:从相等整体中去掉相等部分,余下部分仍相等
  • 历史考证:区分“知道定理”与“给出一般性证明”

延伸讨论

  • 除了分割法,还有哪些证明毕达哥拉斯定理的方法?
  • 为什么中国和巴比伦很早就知道勾三股四弦五,却通常把定理归于毕达哥拉斯?
  • 毕达哥拉斯定理在现代科学中还有哪些应用?