Невероятные числа профессора стюарта. Невероятные числа профессора стюарта Свойства пифагоровых троек

Белотелов В.А. Пифагоровы тройки и их количество // Энциклопедия Нестеровых

Эта статья является ответом одному профессору – щипачу. Смотри, профессор, как это у нас в деревне делают.

Нижегородская область, г. Заволжье.

Требуется знание алгоритма решения диофантовых уравнений (АРДУ) и знание прогрессий многочленов.

ПЧ – простое число.

СЧ – составное число.

Пусть есть число N нечётное. Для любого нечётного числа, кроме единицы, можно составить уравнение.

р 2 + N = q 2 ,

где р + q = N, q – р = 1.

Например, для чисел 21 и 23 уравнениями будут, -

10 2 + 21 = 11 2 , 11 2 + 23 = 12 2 .

Если число N простое, данное уравнение единственное. Если число N составное, тогда можно составить подобных уравнений по числу пар сомножителей представляющих это число, включая 1 х N.

Возьмём число N = 45, -

1 х 45 = 45, 3 х 15 = 45, 5 х 9 = 45.

Мечталось, а нельзя ли уцепившись за это различие между ПЧ и СЧ найти метод их идентификации.

Введём обозначения;

Изменим нижнее уравнение, -

N = в 2 – а 2 = (в – а)(в + а).

Сгруппируем величины N по признаку в - а, т.е. составим таблицу.

Числа N были сведены в матрицу, -

Именно под эту задачу пришлось разбираться с прогрессиями многочленов и их матрицами. Всё оказалось напрасно, – ПЧ оборону держат мощно. Давайте в таблицу 1 введём столбец, где в - а = 1 (q - р = 1).

И ещё раз. Таблица 2 получилась в следствии попытки решения задачи об идентификации ПЧ и СЧ. Из таблицы следует, что для любого числа N, существует столько уравнений вида а 2 + N = в 2 , на сколько пар сомножителей можно разбить число N, включая сомножитель 1 х N. Кроме чисел N = ℓ 2 , где

ℓ - ПЧ. Для N = ℓ 2 , где ℓ - ПЧ, существует единственное уравнение р 2 + N = q 2 . О каком дополнительном доказательстве может идти речь, если в таблице перебраны меньшие множители из пар сомножителей, образующих N, от единицы до ∞. Таблицу 2 поместим в сундучок, а сундучок спрячем в чуланчике.

Вернёмся к теме заявленной в названии статьи.

Эта статья является ответом одному профессору – щипачу.

Обратился за помощью, – требовался ряд чисел, который не мог найти в интернете. Напоролся на вопросы типа, – "а за чем?", "а покажи метод". Был в частности задач вопрос, бесконечен ли ряд пифагоровых троек, "а как доказать?". Не помог он мне. Смотри, профессор, как это у нас в деревне делают.

Возьмем формулу пифагоровых троек, –

х 2 = у 2 + z 2 . (1)

Пропустим через АРДУ.

Возможны три ситуации:

I. х – нечётное число,

у – чётное число,

z – чётное число.

И есть условие х > у > z.

II. х – нечётное число,

у – чётное число,

z – нечётное число.

х > z > у.

III.х – чётное число,

у – нечётное число,

z – нечётное число.

х > у > z.

Начнём по порядку с I.

Введём новые переменные

Подставим в уравнение (1).

Сократим на меньшее переменное 2γ.

(2α – 2γ + 2к + 1) 2 = (2β – 2γ + 2к) 2 + (2к + 1) 2 .

Сократим на меньшее переменное 2β – 2γ с одновременным введением нового параметра ƒ, -

(2α – 2β + 2ƒ + 2к + 1) 2 = (2ƒ + 2к) 2 + (2к + 1) 2 (2)

Тогда, 2α – 2β = х – у – 1.

Уравнение (2) примет вид, –

(х – у + 2ƒ + 2к) 2 = (2ƒ + 2к) 2 + (2к + 1) 2

Возведём в квадрат, -

(х – у) 2 + 2(2ƒ + 2к)(х – у) + (2ƒ + 2к) 2 = (2ƒ + 2к) 2 + (2к + 1) 2 ,

(х – у) 2 + 2(2ƒ + 2к)(х – у) – (2к + 1) 2 = 0. (3)

АРДУ даёт через параметры соотношение между старшими членами уравнения, поэтому мы получили уравнение (3).

Не солидно заниматься подбором решений. Но, во – первых, деваться некуда, а во – вторых, этих решений нужно несколько, а бесконечный ряд решений мы сможем восстановить.

При ƒ = 1, к = 1, имеем х – у = 1.

При ƒ = 12, к = 16, имеем х – у = 9.

При ƒ = 4, к = 32, имеем х – у = 25.

Подбирать можно долго, но в конечном итоге ряд примет вид, -

х – у = 1, 9, 25, 49, 81, ….

Рассмотрим вариант II.

Введём в уравнение (1) новые переменные

(2α + 2к + 1) 2 = (2β + 2к) 2 + (2γ + 2к + 1) 2 .

Сократим на меньшее переменное 2 β, -

(2α – 2β + 2к + 1) 2 = (2α – 2β + 2к+1) 2 + (2к) 2 .

Сократим на меньшее переменное 2α – 2β, –

(2α – 2γ + 2ƒ + 2к + 1) 2 = (2ƒ + 2к + 1) 2 + (2к) 2 . (4)

2α – 2γ = х – z и подставим в уравнение (4).

(х – z + 2ƒ + 2к + 1) 2 = (2ƒ + 2к + 1) 2 + (2к) 2

(х – z) 2 + 2(2ƒ + 2к + 1)(х – z) + (2ƒ + 2к + 1) 2 = (2ƒ + 2к + 1) 2 + (2к) 2 (х – z) 2 + 2(2ƒ + 2к + 1)(х – z) – (2к) 2 = 0

При ƒ = 3, к = 4, имеем х – z = 2.

При ƒ = 8, к = 14, имеем х – z = 8.

При ƒ = 3, к = 24, имеем х – z = 18.

х – z = 2, 8, 18, 32, 50, ….

Нарисуем трапецию, -

Напишем формулу.

где n=1, 2,... ∞.

Случай III расписывать не будем, – нет там решений.

Для условия II набор троек будет таким:

Уравнение (1) представлено в виде х 2 = z 2 + у 2 для наглядности.

Для условия I набор троек будет таким:

В общей сложности расписано 9 столбцов троек, по пять троек в каждом. И каждый из представленных столбцов можно писать до ∞.

В качестве примера рассмотрим тройки последнего столбца, где х – у = 81.

Для величин х распишем трапецию, -

Напишем формулу, -

Для величин у распишем трапецию, -

Напишем формулу, -

Для величин z распишем трапецию, -

Напишем формулу, -

Где n = 1 ÷ ∞.

Как и обещано, ряд троек при х – у = 81 летит в ∞.

Была попытка для случаев I и II построить матрицы для величин х, у, z.

Выпишем из последних пяти столбцов величины х из верхних строк и построим трапецию.

Не получилось, а закономерность должна быть квадратичной. Чтобы всё было в ажуре, оказалось, что надо объединить столбцы I и II.

В случае II величины у, z снова поменяем местами.

Объединить удалось по одной причине, – карты хорошо легли в этой задаче, – повезло.

Теперь можно расписать матрицы для х, у, z.

Возьмём из последних пяти столбцов величины х из верхних строк и построим трапецию.

Всё нормально, можно строить матрицы, и начнём с матрицы для z.

Бегом в чуланчик за сундучком.

Итого: Кроме единицы, каждое нечётное число числовой оси участвует в образовании пифагоровых троек равным количеству пар сомножителей образующих данное число N, включая сомножитель 1 х N.

Число N = ℓ 2 , где ℓ - ПЧ, образует одну пифагорову тройку, если ℓ - СЧ, то на сомножителях ℓхℓ тройки не существует.

Построим матрицы для величин х, у.

Начнём работать с матрицей для х. Для этого натянем на неё координатную сетку из задачи по идентификации ПЧ и СЧ.

Нумерация вертикальных рядов нормирована выражением

Первый столбец уберём, т.к.

Матрица примет вид, -

Опишем вертикальные ряды, -

Опишем коэффициенты при "а", -

Опишем свободные члены, -

Составим общую формулу для "х", -

Если провести подобную работу для "у", получим, -

Можно подойти к этому результату и с другой стороны.

Возьмём уравнение, –

а 2 + N = в 2 .

Чуть преобразуем, –

N = в 2 – а 2 .

Возведём в квадрат, –

N 2 = в 4 – 2в 2 а 2 + а 4 .

К левой и правой части уравнения добавим по величине 4в 2 а 2 , -

N 2 + 4в 2 а 2 = в 4 + 2в 2 а 2 + а 4 .

И окончательно, –

(в 2 + а 2) 2 = (2ва) 2 + N 2 .

Пифагоровы тройки составляются так:

Рассмотрим пример с числом N = 117.

1 х 117 = 117, 3 х 39 = 117, 9 х 13 = 117.

Вертикальные столбцы таблицы 2 пронумерованы величинами в – а, тогда как вертикальные столбцы таблицы 3 пронумерованы величинами х – у.

х – у = (в – а) 2 ,

х = у + (в – а) 2 .

Составим три уравнения.

(у + 1 2) 2 = у 2 + 117 2 ,

(у + 3 2) 2 = у 2 + 117 2 ,

(у + 9 2) 2 = у 2 + 117 2 .

х 1 = 6845, у 1 = 6844, z 1 = 117.

х 2 = 765, у 2 = 756, z 2 = 117 (х 2 = 85, у 2 = 84, z 2 = 13).

х 3 = 125, у 3 = 44, z 3 = 117.

Сомножители 3 и 39 не являются взаимно простыми числами, поэтому одна тройка получилась с коэффициентом 9.

Изобразим выше написанное в общих символах, -

В данной работе всё, включая пример на расчёт пифагоровых троек с числом

N = 117, привязано к меньшему сомножителю в - а. Явная дискриминация по отношению к сомножителю в + а. Исправим эту несправедливость, – составим три уравнения с сомножителем в + а.

Вернёмся к вопросу об идентификации ПЧ и СЧ.

Много что было совершено в этом направлении и на сегодняшний день через руки дошла следующая мысль, – уравнения идентификации, да такого чтобы и сомножители определить, не существует.

Допустим найдено соотношение F = а,в (N).

Есть формула

Можно избавиться в формуле F от в и получится однородное уравнение n – ой степени относительно а, т.е. F = а(N).

При любой степени n данного уравнения найдётся число N имеющее m пар сомножителей, при m > n.

И как следствие, однородное уравнение n степени должно иметь m корней.

Да быть такого не может.

В данной работе числа N рассматривались для уравнения х 2 = у 2 + z 2 , когда они находятся в уравнении на месте z. Когда N на месте х, - это уже другая задача.

С уважением Белотелов В.А.

Удобный и очень точный способ, употребляемый землемерами для проведения на местности перпендикулярных линий, состоит в следующем. Пусть через точку А требуется к прямой MN провести перпендикуляр (рис. 13). Откладывают от А по направлению AM три раза какое-нибудь расстояние а. Затем завязывают на шнуре три узла, расстояния между которыми равны 4а и 5а. Приложив крайние узлы к точкам А и В, натягивают шнур за средний узел. Шнур расположится треугольником, в котором угол А - прямой.

Этот древний способ, по-видимому, применявшийся еще тысячелетия назад строителями египетских пирамид, основан на том, что каждый треугольник, стороны которого относятся, как 3:4:5, согласно общеизвестной теореме Пифагора, - прямоугольный, так как

3 2 + 4 2 = 5 2 .

Кроме чисел 3, 4, 5, существует, как известно, бесчисленное множество целых положительных чисел а, b, с, удовлетворяющих соотношению

А 2 + b 2 = с 2 .

Они называются пифагоровыми числами. Согласно теореме Пифагора такие числа могут служить длинами сторон некоторого прямоугольного треугольника; поэтому а и b называют "катетами", а с - "гипотенузой".

Ясно, что если а, b, с есть тройка пифагоровых чисел, то и ра, рb, рс, где р - целочисленный множитель, - пифагоровы числа. Обратно, если пифагоровы числа имеют общий множитель, то на этот общий множитель можно их все сократить, и снова получится тройка пифагоровых чисел. Поэтому будем вначале исследовать лишь тройки взаимно простых пифагоровых чисел (остальные получаются из них умножением на целочисленный множитель р).

Покажем, что в каждой из таких троек а, b, с один из "катетов" должен быть четным, а другой нечетным. Станем рассуждать "от противного". Если оба "катета" а и b четны, то четным будет число a 2 + b 2 , a значит, и "гипотенуза". Это, однако, противоречит тому, что числа а, b, с не имеют общих множителей, так как три четных числа имеют общий множитель 2. Таким образом, хоть один из "катетов" а, b нечетен.

Остается еще одна возможность: оба "катета" нечетные, а "гипотенуза" четная. Нетрудно доказать, что этого не может быть. В самом деле: если "катеты" имеют вид

2х + 1 и 2у + 1,

то сумма их квадратов равна

4х 2 + 4х + 1 + 4у 2 + 4у + 1 = 4(х 2 + х + у 2 + у) + 2,

т. е. представляет собой число, которое при делении на 4 дает в остатке 2. Между тем квадрат всякого четного числа должен делиться на 4 без остатка. Значит, сумма квадратов двух нечетных чисел не может быть квадратом четного числа; иначе говоря, наши три числа - не пифагоровы.

Итак, из "катетов" а, b один четный, а другой нечетный. Поэтому число а 2 + b 2 нечетно, а значит, нечетна и "гипотенуза" с.

Предположим, для определенности, что нечетным является "катет" а, а четным b. Из равенства

а 2 + b 2 = с 2

мы легко получаем:

А 2 = с 2 - b 2 = (с + b)(с - b).

Множители с + b и с - b, стоящие в правой части, взаимно просты. Действительно, если бы эти числа имели общий простой множитель, отличный от единицы, то на этот множитель делились бы и сумма

(с + b) + (с - b) = 2с,

и разность

(с + b) - (с - b) = 2b,

и произведение

(с + b)(с - b) = а 2 ,

т. е. числа 2с, 2b и а имели бы общий множитель. Так как а нечетно, то этот множитель отличен от двойки, и потому этот же общий множитель имеют числа а, b, с, чего, однако, не может быть. Полученное противоречие показывает, что числа с + b и с - b взаимно просты.

Но если произведение взаимно простых чисел есть точный квадрат, то каждое из них является квадратом, т. е.

Решив эту систему, найдем:

C = (m 2 + n 2)/2, b = (m 2 - n 2)/2, а 2 = (с + b)(с - b) = m 2 n 2 , а = mn.

Итак, рассматриваемые пифагоровы числа имеют вид

A = mn, b = (m 2 - n 2)/2, с = (m 2 + n 2)/2.

где m и n - некоторые взаимно простые нечетные числа. Читатель легко может убедиться и в обратном: при любых нечетных тип написанные формулы дают три пифагоровых числа а, b, с.

Вот несколько троек пифагоровых чисел, получаемых при различных тип:

При m = 3, n = 1 3 2 + 4 2 = 5 2 при m = 5, n = 1 5 2 + 12 2 = 13 2 при m = 7, n = 1 7 2 + 24 2 = 25 2 при m = 9, n = 1 9 2 + 40 2 = 41 2 при m = 11, n = 1 11 2 + 60 2 = 61 2 при m = 13, n = 1 13 2 + 84 2 = 85 2 при m = 5, n = 3 15 2 + 8 2 = 17 2 при m = 7, n = 3 21 2 + 20 2 = 29 2 при m = 11, n = 3 33 2 + 56 2 = 65 2 при m = 13, n = 3 39 2 + 80 2 = 89 2 при m = 7, n = 5 35 2 + 12 2 = 37 2 при m = 9, n = 5 45 2 + 28 2 = 53 2 при m = 11, n = 5 55 2 + 48 2 = 73 2 при m = 13, n = 5 65 2 + 72 2 = 97 2 при m = 9, n = 7 63 2 + 16 2 = 65 2 при m = 11, n = 7 77 2 + 36 2 = 85 2

(Все остальные тройки пифагоровых чисел или имеют общие множители, или содержат числа, большие ста.)

Бескровный И.М. 1

1 OAO «Ангстрем–М»

Целью работы является разработка методов и алгоритмов вычисления пифагоровых троек вида a2+b2=c2. Процесс анализа осуществлялся в соответствии с принципами системного подхода. Наряду с математическими моделями, использованы графические модели, отображающие каждый член пифагоровой тройки в виде составных квадратов, каждый из которых состоит из совокупности единичных квадратов. Установлено, что бесконечное множество пифагоровы троек содержит бесконечное число подмножеств, различающих по признаку разности величин b–c. Предложен алгоритм формирования пифагоровых троек с любым наперёд заданным значением этой разности. Показано, что пифагоровы тройки существуют для любого значения 3≤a

Пифагоровы тройки

системный анализ

математическая модель

графическая модель

1. Аносов Д.Н. Взгляд на математику и нечто из неё. – М.: МЦНМО, 2003. – 24 с.: ил.

2. Айерланд К., Роузен М. Классическое введение в современную теорию чисел. – М.: Мир, 1987.

3. Бескровный И.М. Системный анализ и информационные технологии в организациях: Учебное пособие. – М.: РУДН, 2012. – 392 с.

4. Саймон Сингх. Великая теорема Ферма.

5. Ферма П. Исследования по теории чисел и диофантову анализу. – М.: Наука, 1992.

6. Yaptro. Ucoz, Available at: http://yaptro.ucoz.org/news/pifagorovy_trojki_chisel/2012-05-07-5.

Пифагоровы тройки представляют собой когорту из трех целых чисел, удовлетворяющих соотношению Пифагора x2 + y2 = z2. Вообще говоря, это частный случай Диофантовых уравнений, а именно, системы уравнений, в которых число неизвестных больше, чем число уравнений . Известны они давно, еще со времён Вавилона, то есть, задолго до Пифагора. А название они приобрели после того, как Пифагор на их основе доказал свою знаменитую теорему. Однако, как следует из анализа многочисленных источников, в которых вопрос о пифагоровых тройках в той или иной мере затрагивается до сих пор не раскрыт в полной мере вопрос о существующих классах этих троек и о возможных способах их формирования.

Так в книге Саймона Сингха говорится: - «Ученики и последователи Пифагора …поведали миру секрет нахождения так называемых пифагоровых трое к.». Однако, в след за этим читаем: - «Пифагорейцы мечтали найти и другие пифагорейские тройки, другие квадраты, из которых можно было бы сложить третий квадрат больших размеров. …По мере того, как числа возрастают, пифагоровы тройки встречаются все реже, и находить их становится все труднее и труднее. Пифагорейцы изобрели метод отыскания таких троек и, пользуясь им, доказали, что пифагоровых троек существует бесконечно много».

В приведенной цитате выделены слова вызывающие недоумение. Почему «Пифагорейцы мечтали найти…», если они «изобрели метод отыскания таких троек…», и почему для больших чисел «находить их становится все труднее и труднее…».

В работе известного математика Д.В. Аносова искомый ответ, вроде бы, приведен. - «Имеются такие тройки натуральных (т. е. целых положительных) чисел x, y, z, что

x2 + y2 = z2. (1)

…можно ли найти все решения уравнения x2+y2=z2 в натуральных числах? …Да. Ответ таков: каждое такое решение можно представить в виде

x=l(m2-n2), y=2lmn, z=l(m2+n2), (2),

где l, m, n - натуральные числа, причем m>n, или в аналогичном виде, в котором x и y меняются местами. Можно чуть короче сказать, что x, y, z из (2) со всевозможными натуральными l и m > n суть все возможные решения (1) с точностью до перестановки x и y. Например, тройка (3, 4, 5) получается при l=1, m=2, n=1. ... По-видимому, вавилоняне знали этот ответ, но как они к нему пришли - неизвестно».

Обычно математики известны своей требовательностью к строгости своих формулировок. Но, в данной цитате такой строгости не наблюдается. Так что именно: найти или представить? Очевидно, что это совершенно разные вещи. Вот ниже приводится строчка «свежеиспеченных» троек (получены методом, описываемым ниже):

12, 35, 37; 20, 21, 29; 44, 117, 125; 103, 5304, 5305.

Не вызывает сомнений, что каждую из этих троек можно представить в виде соотношения (2) и вычислить после этого значения l, m, n. Но, это уже после того, как все значения троек были найдены. А как быть до того?

Нельзя исключить того, что ответы на эти вопросы давно известны. Но их почему-то найти, пока не удалось. Таким образом, целью настоящей работы является системный анализ совокупности известных примеров пифагоровых троек, поиск системообразующих отношений в различных группах троек и выявление системных признаков характерных для этих групп и, затем - разработка простых эффективных алгоритмов расчёта троек с предварительно заданной конфигурацией. Под конфигурацией будем понимать отношения между величинами, входящими в состав тройки.

В качестве инструментария будет использован математический аппарат на уровне, не выходящем за рамки математики, преподаваемой в средней школе, и системный анализ на базе методов, изложенных в .

Построение модели

С позиций системного анализа любая пифагорова тройка является системой, образованной объектами, которыми являются три числа и их свойствами. Их совокупность, в которой объекты поставлены в определённые отношения и образуют систему, обладающую новыми свойствами, не присущими ни отдельным объектам, ни любой иной их совокупности, где объекты поставлены в иные отношения.

В уравнении (1), объектами системы являются натуральные числа, связанные простыми алгебраическими соотношениями: слева от знака равенство стоит сумма двух чисел, возведенных в степень 2, справа - третье число, также возведённое в степень 2. Отдельно взятые числа, слева от равенства, будучи возведены в степень 2, не накладывают никаких ограничений на операцию их суммирования - результирующая сумма может быть какой угодно. Но, знак равенства, поставленный после операции суммирования, налагает на значение этой суммы системное ограничение: сумма должна быть таким числом, чтобы результатом операции извлечения корня квадратного явилось натуральное число. А это условие выполняется не для любых чисел, подставляемых в левую часть равенства. Таким образом, знак равенства, поставленный между двумя членами уравнения и третьим, превращает тройку членов в систему. Новым свойством этой системы является введение ограничений на значения исходных чисел.

Исходя из формы записи, пифагорова тройка может рассматриваться как математическая модель геометрической системы, состоящей из трёх квадратов, связанных между собой отношениями суммирования и равенства, как это показано на рис. 1. Рис. 1 является графической моделью рассматриваемой системы, а вербальной её моделью является утверждение:

Площадь квадрата с длиной стороны c может быть разделена без остатка на два квадрата с длинами сторон a и b, таких, что сумма их площадей равна площади исходного квадрата, то есть, все три величины a, b, и c, связаны соотношением

Графическая модель разложения квадрата

В рамках канонов системного анализа известно, что если математическая модель адекватно отображает свойства некоей геометрической системы, то анализ свойств самой этой системы позволяет уточнить свойства её математической модели, глубже их познать, уточнить, и, при необходимости, усовершенствовать. Этого пути мы и будем придерживаться.

Уточним, что согласно принципам системного анализа операции сложения и вычитания могут производиться только над составными объектами, то есть, объектами, составленными из совокупности элементарных объектов. Поэтому, будем воспринимать любой квадрат, как фигуру, составленную из совокупности элементарных, или единичных квадратов. Тогда условие получения решения в натуральных числах эквивалентно принятия условия, что единичный квадрат неделим.

Единичным квадратом будем называть квадрат, у которого длина каждой из сторон равна единице. То есть, при площадь единичного квадрата определяет следующее выражение.

Количественным параметром квадрата является его площадь, определяемая количеством единичных квадратов, которые можно разместить на данной площади. Для квадрата с произвольным значением x, выражение x2 определяет величину площади квадрата, образованного отрезками длиной в x единичных отрезков. На площади этого квадрата могут быть размещены x2 единичных квадратов.

Приведенные определения могут быть восприняты как тривиальные и очевидные, но это не так. Д.Н. Аносов определяет понятие площадь по-другому: - « … площадь фигуры равна сумме площадей ее частей. Почему мы уверены, что это так? …Мы представляем себе фигуру сделанной из какого-то однородного материала, тогда ее площадь пропорциональна количеству содержащегося в ней вещества - ее массе. Далее подразумевается, что когда мы разделяем тело на несколько частей, сумма их масс равна массе исходного тела. Это понятно, потому что все состоит из атомов и молекул, и раз их число не изменилось, то не изменилась и их суммарная масса… Ведь, собственно, масса куска однородного материала пропорциональна его объему; значит, надо знать, что объем «листа», имеющего форму данной фигуры, пропорционален ее площади. Словом, …что площадь фигуры равна сумме площадей ее частей, в геометрии надо это доказывать. … В учебнике Киселева существование площади, имеющей то самое свойство, которое мы сейчас обсуждаем, честно постулировалось как некое допущение, причем говорилось, что это на самом деле верно, но мы этого доказывать не будем. Так что и теорема Пифагора, если ее доказывать с площадями, в чисто логическом отношении останется не совсем доказанной».

Нам представляется, что введенные выше определения единичного квадрата снимают указанную Д.Н. Аносовым неопределенность. Ведь если величина площади квадрата и прямоугольника определяется суммой заполняющих их единичных квадратов, то при разбиении прямоугольника на произвольные, прилегающие друг к другу части площадь прямоугольника естественно равна сумме всех его частей.

Более того, введенные определения снимают неопределенность использования понятий «разделить» и «сложить» применительно к абстрактным геометрическим фигурам. Действительно, что значит разделить прямоугольник или любую другую плоскую фигуру на части? Если это лист бумаги, то его можно разрезать ножницами. Если земельный участок - поставить забор. Комнату - поставить перегородку. А если это нарисованный квадрат? Провести разделительную линию и заявить, что квадрат разделён? Но, ведь говорил Д.И. Менделеев: «…Заявить можно всё, а ты - поди, демонстрируй!»

А при использовании предложенных определений «Разделить фигуру» означает разделить количество заполняющих эту фигуру единичных квадратов на две (или более) частей. Количество единичных квадратов в каждой из таких частей определяет её площадь. Конфигурацию этим частям можно придавать произвольную, но при этом сумма их площадей всегда будет равна площади исходной фигуры. Возможно, специалисты-математики сочтут эти рассуждения некорректными, тогда примем их за допущение. Если уж в учебнике Киселёва приемлемы такие допущения, то и нам подобным приёмом грех не воспользоваться.

Первым этапом системного анализа является выявление проблемной ситуации. В начале этого этапа было просмотрено несколько сот пифагоровых троек, найденных в различных источниках. При этом внимание привлекло то обстоятельство, что всю совокупность пифагоровых троек, упоминающихся в публикациях, можно разделить на несколько групп, различающихся по конфигурации. Признаком специфичной конфигурации будем считать разность длин сторон исходного и вычитаемого квадратов, то есть, величину c-b. Например, в публикациях довольно часто в качестве примера демонстрируются тройки, удовлетворяющие условию c-b=1 . Примем, что вся совокупность таких пифагоровых троек образует множество, которое будем называть «Класс c-1», и проведём анализ свойств этого класса.

Рассмотрим три квадрата, представленные на рисунке, где c - длина стороны уменьшаемого квадрата, b - длина стороны вычитаемого квадрата и a - длина стороны квадрата, образованного из их разности. На рис. 1 видно, что при вычитании из площади уменьшаемого квадрата площади вычитаемого квадрата в остатке остаются две полосы единичных квадратов:

Для того чтобы из этого остатка можно было образовать квадрат, необходимо выполнение условия

Эти соотношения позволяют определить значения всех членов тройки по единственному заданному числу c. Наименьшим числом c, удовлетворяющим соотношению (6), является число c = 5. Итак, были определенны длины всех трёх сторон квадратов, удовлетворяющих соотношению (1). Напомним, что значение b стороны среднего квадрата

было выбрано, когда мы решили образовать средний квадрат путем уменьшения стороны исходного квадрата на единицу. Тогда из соотношений (5), (6). (7) получаем следующее соотношение:

из которого следует, что выбранное значение c = 5 однозначно задаёт значения b = 4, a = 3.

В итоге, получены соотношения, позволяющие представить любую пифагорову тройку класса «c - 1» в таком виде, где значения все трёх членов определяются по одному задаваемому параметру - значению c:

Добавим, что число 5 в приведенном выше примере появилось как минимальное из всех возможных значений c, при которых уравнение (6) имеет решение в натуральных числах. Следующее число, обладающее таким же свойством, это 13, затем 25, далее 41, 61, 85 и т. д. Как видно, в этом ряду чисел интервалы между соседними числами интенсивно возрастают. Так, например, после допустимого значения , следующее допустимое значение , а после , следующее допустимое значение , то есть, допустимое значение отстоит от предыдущего более чем на пятьдесят миллионов!

Теперь понятно, откуда появилась эта фраза в книге : - «По мере того, как числа возрастают, пифагоровы тройки встречаются все реже, и находить их становится все труднее и труднее…». Однако это утверждение не является верным. Стоит только взглянуть на пифагоровы тройки, соответствующие приведенным выше парам соседних значений c, как сразу бросается в глаза одна особенность - в обеих парах, в которых значения c разнесены на столь большие интервалы, значения a оказываются соседними нечетными числами. Действительно, для первой пары имеем

и для второй пары

Так что «всё реже встречаются» не сами тройки, а интервалы между соседними значениями c увеличиваются. Сами же пифагоровы тройки, как это будет показано ниже, существуют для любого натурального числа.

Теперь рассмотрим, тройки следующего класса - «Класс c-2». Как видно из рис. 1, при вычитании из квадрата со стороной c квадрата со стороной (c - 2), образуется остаток в виде суммы двух единичных полос. Величина этой суммы определяется уравнением:

Из уравнения (10) получаем соотношения, определяющее любую из бесконечного множества троек класс «c-2»:

Условием существования решения уравнения (11) в натуральных числах является любое такого значения c , при котором a является натуральным числом. Минимальное значение c, при котором решение существует, составляет c = 5. Тогда «стартовая» тройка для этого класса троек определяется набором a = 4, b = 3, c = 5. То есть, вновь, образуется классическая тройка 3, 4, 5, только теперь площадь вычитаемого квадрата меньше площади остатка.

И наконец, проведём анализ троек класса «с-8». Для этого класса троек при вычитании площади квадрата из площади с2 исходного квадрата, получаем:

Тогда, из уравнения (12) следует:

Минимальное значение c, при котором решение существует: это c = 13. Пифагорова тройка при этом значении примет вид 12, 5, 13. В этом случае опять площадь вычитаемого квадрата меньше площади остатка. А переставив обозначения местами, получим тройку 5, 12, 13, которая по своей конфигурации относится к классу «c - 1». Похоже, что дальнейший анализ других возможных конфигураций ничего принципиально нового не откроет.

Вывод расчётных соотношений

В предыдущем разделе логика анализа развивалась в соответствии с требованиями системного анализа по четырём из пяти основных его этапов: анализ проблемной ситуации, формирование целей, формирование функций и формирование структуры. Теперь пора переходить к заключительному, пятому этапу - проверка реализуемости, то есть, проверка того, в какой мере поставленные цели достигнуты. .

Ниже показана табл. 1, в которой приведены значения пифагоровых троек, относящихся к классу «c - 1». Большинство троек встречаются в различных публикациях , но тройки для значений a, равных 999, 1001 в известных публикациях не встречались.

Таблица 1

Пифагоровы тройки класса «с-1»

Можно проверить, что все тройки удовлетворяют соотношению (3). Таким образом, одна из поставленных целей достигнута. Полученные в предыдущем разделе соотношения (9), (11), (13) позволяют формировать бесконечное множество троек, задавая единственный параметр c - сторону уменьшаемого квадрата. Это, конечно, более конструктивный вариант, чем соотношение (2), для использования которого следует задать произвольно три числа l, m, n, имеющих любое значение, затем искать решение, зная только, что в итоге, непременно будет получена пифагорова тройка, а какая - заранее неизвестно. В нашем случае заранее известна конфигурация формируемой тройки и нужно задавать только один параметр. Зато, увы, не для каждого значения этого параметра решение существует. И надо заранее знать его допустимые значения. Так что полученный результат хорош, но, далёк от идеала. Желательно получить такое решение, чтобы пифагоровы тройки можно было вычислять для любого произвольно заданного натурального числа. С этой целью вернемся к четвёртому этапу - формирование структуры полученных математических соотношений.

Поскольку выбор величины c в качестве базового параметра для определения остальных членов тройки оказался неудобным, следует испробовать другой вариант. Как видно из табл. 1, выбор параметра a в качестве базового представляется предпочтительным, поскольку значения этого параметра идут подряд в ряду нечётных натуральных чисел. После несложных преобразований приводим соотношения (9) к более конструктивному виду:

Соотношения (14) позволяют найти пифагорову тройку для любого наперёд заданного нечётного значения a. При этот простота выражения для b позволяет производить вычисления даже без калькулятора. Действительно, выбрав, к примеру, число 13, получаем:

А для числа 99 соответственно получаем:

Соотношения (15) позволяют получать значения всех трёх членов пифагоровой троки для любого заданного n, начиная с n=1.

Теперь рассмотрим пифагоровы тройки класса «c - 2». В табл. 2 приведены для примера десять таких троек. Причем, в известных публикациях были найдены только три пары троек - 8, 15, 23; 12, 35, 36; и 16, 63, 65. Этого оказалось достаточно, чтобы определить закономерности, по которым они формируются. Остальные семь были найдены из выведенных ранее соотношений (11). Для удобства вычисление эти соотношения были преобразованы так, чтобы все параметры выражались через величину a. Из (11) с очевидность следует, что все тройки для класса «c - 2» удовлетворяют следующим соотношениям:

Таблица 2

Пифагоровы тройки класса «с-2»

Как видно из табл. 2, всё бесконечное множество троек класса «c - 2» можно разделить на два подкласса. Для троек, у которых значение a делится на 4 без остатка, значения b и c - нечётные. Такие тройки, у которых НОД = 1, называют примитивными . Для троек, у которых значения a не делится на 4 в целых числах, все три члена тройки a, b, c - чётные.

Теперь перейдём к рассмотрению результатов анализа третьего из выделенных классов - класса «c - 8». Расчётные соотношения для этого класса, полученные из (13), имеют вид:

Соотношения (20), (21) по сути, идентичны. Различие только в выборе последовательности действий. Либо, в соответствии с (20) выбирается желательное значение a (в данном случае требуется, чтобы это значение делилось на 4), затем, определяются величины b и c. Либо, выбирается произвольное число, и затем, из соотношений (21) определяются все три члена пифагоровой тройки. В табл. 3 приведен ряд пифагоровых троек, вычисленных указанным способом. Однако, вычислять значения пифагоровых троек можно ещё проще. Если известно хоть одно значение , то все последующие значения определяются очень просто по следующим соотношениям:

Таблица 3

Справедливость соотношения (22) для всех может быть проверена как по тройкам из табл. 2, так и по другим источникам. В качестве примера, в табл. 4 курсивом выделены тройки из обширной таблицы пифагоровых троек (10000 троек), вычисленных на основе компьютерной программы по соотношению (2) и жирным шрифтом - тройки, вычисленные по соотношения (20). Эти значения в указанной таблице отсутствовали.

Таблица 4

Пифагоровы тройки класса «с-8»

Соответственно, для троек вида могут использоваться соотношения:

И для троек вида <>, имеем соотношение:

Следует подчеркнуть, что рассмотренные выше классы троек «c - 1», «с - 2», «с - 8» составляют более 90 % среди первой тысячи троек, из таблицы приведенной в . Это даёт основания воспринимать указанные классы как базовые. Добавим, что при выводе соотношений (22), (23), (24) не использовались какие либо специальные свойства чисел, изучаемые в теории чисел (простые, взаимно простые и пр.). Выявленные закономерности формирования пифагоровых троек обусловлены только системными свойствами описываемых этими тройками геометрических фигур - квадратов, состоящих из совокупности единичных квадратов.

Заключение

Теперь, как сказал Эндрю Уайлс в 1993 г.: «Думаю, мне следует на этом остановиться» . Поставленная цель полностью достигнута. Показано, что анализ свойств математических моделей, структура которых связана с геометрическими фигурами, существенно упрощается, если в процессе анализа наряду с чисто математическими выкладками учитываются и геометрические свойства изучаемых моделей. Упрощение достигается, в частности за счёт того, что исследователь «видит» искомые результаты, не проводя математических преобразований.

Например, равенство

становится очевидным без преобразований в левой его части, стоит только взглянуть на рис. 1, где приведена графическая модель этого равенства.

В итоге, на основе проведенного анализа показано, что для любого квадрата со стороной могут быть найдены квадраты со сторонами b и c, такие, что для них выполняется равенство и получены соотношения, обеспечивающие получение результатов при минимальном объеме вычислений:

для нечётных значений a,

и - для чётных значений.

Библиографическая ссылка

Бескровный И.М. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ПИФАГОРОВЫХ ТРОЕК // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 11. – С. 135-142;
URL: http://сайт/ru/article/view?id=33537 (дата обращения: 20.03.2020). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

«Областной центр образования»

Методическая разработка

Использование пифагоровых троек при решении

геометрических задач и тригонометрических заданий ЕГЭ

г. Калуга, 2016

I. Введение

Теорема Пифагора – одна из главных и, можно даже сказать, самая главная теорема геометрии. Значение её состоит в том, что из неё или с её помощью можно вывести большинство теорем геометрии. Теорема Пифагора замечательна ещё и тем, что сама по себе она вовсе не очевидна. Например, свойства равнобедренного треугольника можно видеть непосредственно на чертеже. Но сколько ни гляди на прямоугольный треугольник, никак не увидишь, что между его сторонами есть такое простое соотношение: a2+ b2= c2 . Однако не Пифагор открыл теорему, носящую его имя. Она была известна еще раньше, но, возможно, только как факт, выведенный из измерений. Надо думать, Пифагор знал это, но нашел доказательство.

Существует бесчисленное множество натуральных чисел a, b, c , удовлетворяющих соотношению a2+ b2= c2 .. Они называются пифагоровыми числами. Согласно теореме Пифагора такие числа могут служить длинами сторон некоторого прямоугольного треугольника – будем называть их пифагоровыми треугольниками.

Цель работы: изучить возможность и эффективность применения пифагоровых троек для решения задач школьного курса математики, заданий ЕГЭ.

Исходя из цели работы, поставлены следующие задачи :

Изучить историю и классификацию пифагоровых троек. Проанализировать задачи с применением пифагоровых троек, имеющиеся в школьных учебниках и встречающиеся в контрольно-измерительных материалах ЕГЭ. Оценить эффективность применения пифагоровых троек и их свойств для решения задач.

Объект исследования : пифагоровы тройки чисел.

Предмет исследования : задачи школьного курса тригонометрии и геометрии, в которых используются пифагоровы тройки.

Актуальность исследования . Пифагоровы тройки часто используются в геометрии и тригонометрии, знание их избавит от ошибок в вычислениях и экономит время.

II. Основная часть. Решение задач с помощью пифагоровых троек.

2.1.Таблица троек пифагоровых чисел (по Перельману)

Пифагоровы числа имеют вид a = m·n , , где m и n – некоторые взаимно простые нечетные числа.

Пифагоровы числа обладают рядом любопытных особенностей:

Один из «катетов» должен быть кратным трем.

Один из «катетов» должен быть кратным четырем.

Одно из пифагоровых чисел должно быть кратным пяти.

В книге «Занимательная алгебра» приводится таблица пифагоровых троек, содержащих числа до ста, не имеющих общих множителей.

		32+42=52
		52+122=132
		72+242=252
		92+402=412
		112+602=612
		132+842=852
		152+82=172
		212 +202=292
		332+562=652
		392+802=892
		352+122=372
		452+282=532
		552+482=732
		652+722=972
		632+162=652
		772+362=852

2.2. Классификация пифагоровых троек по Шустрову.

Шустровым была обнаружена такая закономерность: если все пифагоровы треугольники распределить по группам, то для нечетного катета x, четного y и гипотенузы z справедливы следующие формулы:

х = (2N-1)·(2n+2N-1); y = 2n·(n+2N-1); z = 2n·(n+2N-1)+(2N-1) 2, где N – номер семейства и n – порядковый номер треугольника в семействе.

Подставляя в формулу в место N и n любые целые положительные числа, начиная с единицы, можно получить, все основные пифагоровы тройки чисел, а также кратные определенного вида. Можно составить таблицу всех пифагоровых троек по каждому семейству.

2.3. Задачи по планиметрии

Рассмотрим задачи из различных учебников по геометрии и выясним, насколько часто встречаются пифагоровы тройки в этих заданиях. Тривиальные задачи на нахождение третьего элемента по таблице пифагоровых троек рассматривать не будем, хотя они тоже встречаются в учебниках. Покажем, как свести решение задачи, данные которой не выражены натуральными числами, к пифагоровым тройкам.

Рассмотрим задачи из учебника по геометрии для 7-9 класса .

№ 000. Найдите гипотенузу прямоугольного треугольника по катетам а =, b =.

Решение. Умножим длины катетов на 7, получим два элемента из пифагоровой тройки 3 и 4. Недостающий элемент 5, который делим на 7. Ответ .

№ 000. В прямоугольнике ABCD найдите BC, если CD=1,5, AC=2,5.

https://pandia.ru/text/80/406/images/image007_0.gif" width="240" height="139 src=">

Решение. Решим прямоугольный треугольник АСD. Умножим длины на 2, получим два элемента из пифагоровой тройки 3 и 5, Недостающий элемент 4, который делим на 2. Ответ: 2.

При решении следующего номера проверять соотношение a2+ b2= c2 совершенно необязательно, достаточно воспользоваться пифагоровыми числами и их свойствами.

№ 000. Выясните, является ли треугольник прямоугольным, если его стороны выражаются числами:

а) 6,8,10 (пифагорова тройка 3,4.5) – да;

Один из катетов прямоугольного треугольника должен делиться на 4. Ответ: нет.

в) 9,12,15 (пифагорова тройка 3,4.5) – да;

г) 10,24,26 (пифагорова тройка 5,12.13) – да;

Одно из пифагоровых чисел должно быть кратным пяти. Ответ: нет.

ж) 15, 20, 25 (пифагорова тройка 3,4.5) – да.

Из тридцати девяти заданий данного параграфа (теорема Пифагора) двадцать два решаются устно с помощью пифагоровых чисел и знания их свойств.

Рассмотрим задачу № 000 (из раздела «Дополнительные задачи»):

Найдите площадь четырехугольника ABCD, в котором АВ=5 см, ВС=13 см, CD=9 см, DА=15 см, АС=12 см.

В задаче надо проверить соотношение a2+ b2= c2 и доказать, что данный четырехугольник состоит из двух прямоугольных треугольников (обратная теорема). А знание пифагоровых троек: 3, 4, 5 и 5, 12, 13, избавляет от вычислений.

Приведем решения нескольких задач из учебника по геометрии для 7-9 класса .

Задача 156 (з). Катеты прямоугольного треугольника равны 9 и 40. Найдите медиану, проведенную к гипотенузе.

Решение. Медиана, проведенная к гипотенузе, равна ее половине. Пифагорова тройка 9,40 и 41. Следовательно, медиана равна 20,5.

Задача 156 (и). Боковые стороны треугольника равны: а = 13 см, b = 20 см, а высота hс = 12 см. Найдите основание с.

Задача (КИМы ЕГЭ). Найдите радиус окружности, вписанной в остроугольный треугольник АВС, если высота ВH равна12 и известно, что sin А=, sin С=left">

Решение. Решаем прямоугольный ∆ АСК: sin А=, ВH=12 , отсюда АВ=13,АК=5 (Пифагорова тройка 5,12,13). Решаем прямоугольный ∆ ВСH: ВH =12, sin С===https://pandia.ru/text/80/406/images/image015_0.gif" width="12" height="13">3=9 (Пифагорова тройка 3,4,5). Радиус находим по формуле r ===4. Ответ.4.

2.4. Пифагоровы тройки в тригонометрии

Основное тригонометрическое тождество – частный случай теоремы Пифагора: sin2a + cos2a = 1; (a/c) 2 + (b/c)2 =1. Поэтому некоторые тригонометрические задания легко решаются устно с помощью Пифагоровых троек.

Задачи, в которых требуется по заданному значению функции найти значения остальных тригонометрических функций, можно решить без возведения в квадрат и извлечения квадратного корня. Все задания этого типа в школьном учебнике алгебры (10-11) Мордковича (№ 000-№ 000) можно решить устно, зная всего несколько пифагоровых троек: 3,4,5 ; 5,12,13 ; 8,15,17 ; 7,24,25 . Рассмотрим решения двух заданий.

№ 000 а). sin t = 4/5, π/2< t < π.

Решение . Пифагорова тройка: 3, 4, 5. Следовательно, cos t = -3/5; tg t = -4/3,

№ 000 б). tg t = 2,4, π< t < 3π/2.

Решение. tg t = 2,4=24/10=12/5. Пифагорова тройка 5,12,13. Учитывая знаки, получаем sin t = -12/13, cos t = -5/13, ctg t = 5/12.

3. Контрольно-измерительные материалы ЕГЭ

а) cos (arcsin 3/5)=4/5 (3, 4, 5)

б) sin (arccos 5/13)=12/13 (5, 12, 13)

в) tg (arcsin 0,6)=0,75 (6, 8, 10)

г) ctg (arccos 9/41) =9/40 (9, 40, 41)

д) 4/3 tg (π–arcsin (–3/5))= 4/3 tg (π+arcsin 3/5)= 4/3 tg arcsin 3/5=4/3·3/4=1

е) проверьте верность равенства:

arcsin 4/5 + arcsin 5/13 + arcsin 16/65 = π/2.

Решение. arcsin 4/5 + arcsin 5/13 + arcsin 16/65 = π/2

arcsin 4/5 + arcsin 5/13 = π/2 - arcsin 16/65

sin (arcsin 4/5 + arcsin 5/13) = sin (arсcos 16/65)

sin (arcsin 4/5) · cos (arcsin 5/13) + cos (arcsin 4/5) · sin (arcsin 5/13) = 63/65

4/5 · 12/13 + 3/5 · 5/13 = 63/65

III. Заключение

В геометрических задачах часто приходится решать прямоугольные треугольники, иногда несколько раз. Проанализировав задания школьных учебников и материалов ЕГЭ, можно сделать вывод, что в основном используются тройки: 3, 4, 5; 5, 12, 13; 7, 24, 25; 9, 40, 41; 8,15,17; которые легко запомнить. При решении некоторых тригонометрических заданий классическое решение с помощью тригонометрических формул и большим количеством вычислений занимает время, а знание пифагоровых троек избавит от ошибок в вычислениях и сэкономит время для решения более трудных задач на ЕГЭ.

Библиографический список

1. Алгебра и начала анализа. 10-11 классы. В 2 ч. Ч. 2. Задачник для общеобразовательных учреждений / [ и др.]; под ред. . – 8-е изд., стер. – М. : Мнемозина, 2007. – 315 с. : ил.

2. Перельман алгебра. – Д.: ВАП, 1994. – 200 с.

3. Рогановский: Учеб. Для 7-9 кл. с углубл. изучением математики общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения, - 3-е изд. – Мн.; Нар. Асвета, 2000. – 574 с.: ил.

4. Математика: Хрестоматия по истории, методологии, дидактике. / Сост. . – М.: Изд-во УРАО, 2001. – 384 с.

5. Журнал «Математика в школе» №1, 1965 год.

6. Контрольно-измерительные материалы ЕГЭ.

7. Геометрия, 7-9: Учеб. для общеобразовательных учреждений /, и др. – 13-е изд.. – М. : Просвещение,2003. – 384 с. : ил.

8. Геометрия: Учеб. для 10-11 кл. сред. шк./ , и др. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1993, - 207 с.: ил.

Перельман алгебра. – Д.: ВАП, 1994. – 200 с.

Журнал «Математика в школе» №1, 1965 год.

Геометрия, 7-9: Учеб. для общеобразовательных учреждений /, и др. – 13-е изд.. – М. : Просвещение,2003. – 384 с. : ил.

Рогановский: Учеб. Для 7-9 кл. с углубл. изучением математики общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения, - 3-е изд. – Мн.; Нар. Асвета, 2000. – 574 с.: ил.

Алгебра и начала анализа. 10-11 классы. В 2 ч. Ч. 2. Задачник для общеобразовательных учреждений / [ и др.]; под ред. . – 8-е изд., стер. – М. : Мнемозина, 2007. – 315 с. : ил., стр.18.

» заслуженного профессора математики Уорикского университета, известного популяризатора науки Иэна Стюарта, посвященной роли чисел в истории человечества и актуальности их изучения в наше время.

Пифагорова гипотенуза

Пифагоровы треугольники имеют прямой угол и целочисленные стороны. У простейшего из них самая длинная сторона имеет длину 5, остальные - 3 и 4. Всего существует 5 правильных многогранников. Уравнение пятой степени невозможно решить при помощи корней пятой степени - или любых других корней. Решетки на плоскости и в трехмерном пространстве не имеют пятилепестковой симметрии вращения, поэтому такие симметрии отсутствуют и в кристаллах. Однако они могут быть у решеток в четырехмерном пространстве и в занятных структурах, известных как квазикристаллы.

Гипотенуза самой маленькой пифагоровой тройки

Теорема Пифагора гласит, что самая длинная сторона прямоугольного треугольника (пресловутая гипотенуза) соотносится с двумя другими сторонами этого треугольника очень просто и красиво: квадрат гипотенузы равен сумме квадратов двух других сторон.

Традиционно мы называем эту теорему именем Пифагора, но на самом деле история ее достаточно туманна. Глиняные таблички позволяют предположить, что древние вавилоняне знали теорему Пифагора задолго до самого Пифагора; славу первооткрывателя принес ему математический культ пифагорейцев, сторонники которого верили, что Вселенная основана на числовых закономерностях. Древние авторы приписывали пифагорейцам - а значит, и Пифагору - самые разные математические теоремы, но на самом деле мы представления не имеем о том, какой математикой занимался сам Пифагор. Мы даже не знаем, могли ли пифагорейцы доказать теорему Пифагора или просто верили в то, что она верна. Или, что наиболее вероятно, у них были убедительные данные о ее истинности, которых тем не менее не хватило бы на то, что мы считаем доказательством сегодня.

Доказательства Пифагора

Первое известное доказательство теоремы Пифагора мы находим в «Началах» Евклида. Это достаточно сложное доказательство с использованием чертежа, в котором викторианские школьники сразу узнали бы «пифагоровы штаны»; чертеж и правда напоминает сохнущие на веревке подштанники. Известны буквально сотни других доказательств, большинство из которых делает доказываемое утверждение более очевидным.

// Рис. 33. Пифагоровы штаны

Одно из простейших доказательств - это своего рода математический пазл. Возьмите любой прямоугольный треугольник, сделайте четыре его копии и соберите их внутри квадрата. При одной укладке мы видим квадрат на гипотенузе; при другой - квадраты на двух других сторонах треугольника. При этом ясно, что площади в том и другом случае равны.

// Рис. 34. Слева: квадрат на гипотенузе (плюс четыре треугольника). Справа: сумма квадратов на двух других сторонах (плюс те же четыре треугольника). А теперь исключите треугольники

Рассечение Перигаля - еще одно доказательство-пазл.

// Рис. 35. Рассечение Перигаля

Существует также доказательство теоремы с использованием укладки квадратов на плоскости. Возможно, именно так пифагорейцы или их неизвестные предшественники открыли эту теорему. Если взглянуть на то, как косой квадрат перекрывает два других квадрата, то можно увидеть, как разрезать большой квадрат на куски, а затем сложить из них два меньших квадрата. Можно увидеть также прямоугольные треугольники, стороны которых дают размеры трех задействованных квадратов.

// Рис. 36. Доказательство мощением

Есть интересные доказательства с использованием подобных треугольников в тригонометрии. Известно по крайней мере пятьдесят различных доказательств.

Пифагоровы тройки

В теории чисел теорема Пифагора стала источником плодотворной идеи: найти целочисленные решения алгебраических уравнений. Пифагорова тройка - это набор целых чисел a, b и c, таких что

Геометрически такая тройка определяет прямоугольный треугольник с целочисленными сторонами.

Самая маленькая гипотенуза пифагоровой тройки равна 5.

Другие две стороны этого треугольника равны 3 и 4. Здесь

32 + 42 = 9 + 16 = 25 = 52.

Следующая по величине гипотенуза равна 10, потому что

62 + 82 = 36 + 64 = 100 = 102.

Однако это, по существу, тот же треугольник с удвоенными сторонами. Следующая по величине и по-настоящему другая гипотенуза равна 13, для нее

52 + 122 = 25 + 144 = 169 = 132.

Евклид знал, что существует бесконечное число различных вариантов пифагоровых троек, и дал то, что можно назвать формулой для нахождения их всех. Позже Диофант Александрийский предложил простой рецепт, в основном совпадающий с евклидовым.

Возьмите любые два натуральных числа и вычислите:

их удвоенное произведение;

разность их квадратов;

сумму их квадратов.

Три получившихся числа будут сторонами пифагорова треугольника.

Возьмем, к примеру, числа 2 и 1. Вычислим:

удвоенное произведение: 2 × 2 × 1 = 4;

разность квадратов: 22 - 12 = 3;

сумма квадратов: 22 + 12 = 5,

и мы получили знаменитый треугольник 3–4–5. Если взять вместо этого числа 3 и 2, получим:

удвоенное произведение: 2 × 3 × 2 = 12;

разность квадратов: 32 - 22 = 5;

сумму квадратов: 32 + 22 = 13,

и получаем следующий по известности треугольник 5 - 12 - 13. Попробуем взять числа 42 и 23 и получим:

удвоенное произведение: 2 × 42 × 23 = 1932;

разность квадратов: 422 - 232 = 1235;

сумма квадратов: 422 + 232 = 2293,

никто никогда не слышал о треугольнике 1235–1932–2293.

Но эти числа тоже работают:

12352 + 19322 = 1525225 + 3732624 = 5257849 = 22932.

В диофантовом правиле есть еще одна особенность, на которую уже намекали: получив три числа, мы можем взять еще одно произвольное число и все их на него умножить. Таким образом треугольник 3–4–5 можно превратить в треугольник 6–8–10, умножив все стороны на 2, или в треугольник 15–20–25, умножив все на 5.

Если перейти на язык алгебры, правило приобретает следующий вид: пусть u, v и k - натуральные числа. Тогда прямоугольный треугольник со сторонами

2kuv и k (u2 - v2) имеет гипотенузу

Существуют и другие способы изложения основной идеи, но все они сводятся к описанному выше. Этот метод позволяет получить все пифагоровы тройки.

Правильные многогранники

Существует ровным счетом пять правильных многогранников. Правильный многогранник (или полиэдр) - это объемная фигура с конечным числом плоских граней. Грани сходятся друг с другом на линиях, именуемых ребрами; ребра встречаются в точках, именуемых вершинами.

Кульминацией евклидовых «Начал» является доказательство того, что может быть только пять правильных многогранников, то есть многогранников, у которых каждая грань представляет собой правильный многоугольник (равные стороны, равные углы), все грани идентичны и все вершины окружены равным числом одинаково расположенных граней. Вот пять правильных многогранников:

тетраэдр с четырьмя треугольными гранями, четырьмя вершинами и шестью ребрами;

куб, или гексаэдр, с 6 квадратными гранями, 8 вершинами и 12 ребрами;

октаэдр с 8 треугольными гранями, 6 вершинами и 12 ребрами;

додекаэдр с 12 пятиугольными гранями, 20 вершинами и 30 ребрами;

икосаэдр с 20 треугольными гранями, 12 вершинами и 30 ребрами.

// Рис. 37. Пять правильных многогранников

Правильные многогранники можно найти и в природе. В 1904 г. Эрнст Геккель опубликовал рисунки крохотных организмов, известных как радиолярии; многие из них по форме напоминают те самые пять правильных многогранников. Возможно, правда, он немного подправил природу, и рисунки не отражают полностью форму конкретных живых существ. Первые три структуры наблюдаются также в кристаллах. Додекаэдра и икосаэдра в кристаллах вы не найдете, хотя неправильные додекаэдры и икосаэдры там иногда попадаются. Настоящие додекаэдры могут возникать в виде квазикристаллов, которые во всем похожи на кристаллы, за исключением того, что их атомы не образуют периодической решетки.

// Рис. 38. Рисунки Геккеля: радиолярии в форме правильных многогранников

// Рис. 39. Развертки правильных многогранников

Бывает интересно делать модели правильных многогранников из бумаги, вырезав предварительно набор соединенных между собой граней - это называется разверткой многогранника; развертку складывают по ребрам и склеивают соответствующие ребра между собой. Полезно добавить к одному из ребер каждой такой пары дополнительную площадку для клея, как показано на рис. 39. Если такой площадки нет, можно использовать липкую ленту.

Уравнение пятой степени

Не существует алгебраической формулы для решения уравнений 5-й степени.

В общем виде уравнение пятой степени выглядит так:

ax5 + bx4 + cx3 + dx2 + ex + f = 0.

Проблема в том, чтобы найти формулу для решений такого уравнения (у него может быть до пяти решений). Опыт обращения с квадратными и кубическими уравнениями, а также с уравнениями четвертой степени позволяет предположить, что такая формула должна существовать и для уравнений пятой степени, причем в ней, по идее, должны фигурировать корни пятой, третьей и второй степени. Опять же, можно смело предположить, что такая формула, если она существует, окажется очень и очень сложной.

Это предположение в конечном итоге оказалось ошибочным. В самом деле, никакой такой формулы не существует; по крайней мере не существует формулы, состоящей из коэффициентов a, b, c, d, e и f, составленной с использованием сложения, вычитания, умножения и деления, а также извлечения корней. Таким образом, в числе 5 есть что-то совершенно особенное. Причины такого необычного поведения пятерки весьма глубоки, и потребовалось немало времени, чтобы в них разобраться.

Первым признаком проблемы стало то, что, как бы математики ни старались отыскать такую формулу, какими бы умными они ни были, они неизменно терпели неудачу. Некоторое время все считали, что причины кроются в неимоверной сложности формулы. Считалось, что никто просто не может как следует разобраться в этой алгебре. Однако со временем некоторые математики начали сомневаться в том, что такая формула вообще существует, а в 1823 г. Нильс Хендрик Абель сумел доказать обратное. Такой формулы не существует. Вскоре после этого Эварист Галуа нашел способ определить, решаемо ли уравнение той или иной степени - 5-й, 6-й, 7-й, вообще любой - с использованием такого рода формулы.

Вывод из всего этого прост: число 5 особенное. Можно решать алгебраические уравнения (при помощи корней n-й степени для различных значений n) для степеней 1, 2, 3 и 4, но не для 5-й степени. Здесь очевидная закономерность заканчивается.

Никого не удивляет, что уравнения степеней больше 5 ведут себя еще хуже; в частности, с ними связана такая же трудность: нет общих формул для их решения. Это не означает, что уравнения не имеют решений; это не означает также, что невозможно найти очень точные численные значения этих решений. Все дело в ограниченности традиционных инструментов алгебры. Это напоминает невозможность трисекции угла при помощи линейки и циркуля. Ответ существует, но перечисленные методы недостаточны и не позволяют определить, каков он.

Кристаллографическое ограничение

Кристаллы в двух и трех измерениях не имеют 5-лучевой симметрии вращения.

Атомы в кристалле образуют решетку, то есть структуру, которая периодически повторяется в нескольких независимых направлениях. К примеру, рисунок на обоях повторяется по длине рулона; кроме того, он обычно повторяется и в горизонтальном направлении, иногда со сдвигом от одного куска обоев к следующему. По существу, обои - это двумерный кристалл.

Существует 17 разновидностей обойных рисунков на плоскости (см. главу 17). Они различаются по типам симметрии, то есть по способам сдвинуть жестко рисунок таким образом, чтобы он точно лег сам на себя в первоначальном положении. К типам симметрии относятся, в частности, различные варианты симметрии вращения, где рисунок следует повернуть на определенный угол вокруг определенной точки - центра симметрии.

Порядок симметрии вращения - это то, сколько раз можно повернуть тело до полного круга так, чтобы все детали рисунка вернулись на первоначальные позиции. К примеру, поворот на 90° - это симметрия вращения 4-го порядка*. Список возможных типов симметрии вращения в кристаллической решетке вновь указывает на необычность числа 5: его там нет. Существуют варианты с симметрией вращения 2, 3, 4 и 6-го порядков, но ни один обойный рисунок не имеет симметрии вращения 5-го порядка. Симметрии вращения порядка больше 6 в кристаллах тоже не бывает, но первое нарушение последовательности происходит все же на числе 5.

То же происходит с кристаллографическими системами в трехмерном пространстве. Здесь решетка повторяет себя по трем независимым направлениям. Существует 219 различных типов симметрии, или 230, если считать зеркальное отражение рисунка отдельным его вариантом - притом, что в данном случае нет зеркальной симметрии. Опять же, наблюдаются симметрии вращения порядков 2, 3, 4 и 6, но не 5. Этот факт получил название кристаллографического ограничения.

В четырехмерном пространстве решетки с симметрией 5-го порядка существуют; вообще, для решеток достаточно высокой размерности возможен любой наперед заданный порядок симметрии вращения.

// Рис. 40. Кристаллическая решетка поваренной соли. Темные шарики изображают атомы натрия, светлые - атомы хлора

Квазикристаллы

Хотя симметрия вращения 5-го порядка в двумерных и трехмерных решетках невозможна, она может существовать в чуть менее регулярных структурах, известных как квазикристаллы. Воспользовавшись набросками Кеплера, Роджер Пенроуз открыл плоские системы с более общим типом пятикратной симметрии. Они получили название квазикристаллов.

Квазикристаллы существуют в природе. В 1984 г. Даниэль Шехтман открыл, что сплав алюминия и марганца может образовывать квазикристаллы; первоначально кристаллографы встретили его сообщение с некоторым скепсисом, но позже открытие было подтверждено, и в 2011 г. Шехтман был удостоен Нобелевской премии по химии. В 2009 г. команда ученых под руководством Луки Бинди обнаружила квазикристаллы в минерале с российского Корякского нагорья - соединении алюминия, меди и железа. Сегодня этот минерал называется икосаэдрит. Измерив при помощи масс-спектрометра содержание в минерале разных изотопов кислорода, ученые показали, что этот минерал возник не на Земле. Он сформировался около 4,5 млрд лет назад, в то время, когда Солнечная система только зарождалась, и провел большую часть времени в поясе астероидов, обращаясь вокруг Солнца, пока какое-то возмущение не изменило его орбиту и не привело его в конце концов на Землю.

// Рис. 41. Слева: одна из двух квазикристаллических решеток с точной пятикратной симметрией. Справа: атомная модель икосаэдрического алюминиево-палладиево-марганцевого квазикристалла