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勾股定理證明方法之一的培利加剖分( Perigal‘s dissection)在《數(shù)學(xué)
樂園。茅塞頓開》中已經(jīng)描述過,但因?yàn)楣垂啥ɡ硎窍喈?dāng)重要的定理,故在此再
特別舉出一些可行的證明方法,供讀者做比較。
下面列舉的前3 個方法非常類似,而且都需要利用到4 個全等的直角三角形。
請將它們從卡片中剪下,并且實(shí)際練習(xí)看看。
(1 )如圖1 所示,將4 個三角形排成邊長為a +b 的正方形4BCD,使中間
留下邊長c 的一個正方形洞(陰影部分)。
畫出正方形ABCD. 現(xiàn)在移動三角形至圖2 所示的位置中,于是留下了邊長分
別為a 與b 的兩個正方形洞。這么一來,圖1 和圖2 中的陰影部分面積必定相等,
所以
c2=a2+b2
(2 )此證明以圖1 為基礎(chǔ):
正方形ABCD的面積= 陰影部分正方形的面積+4個三角形的面積
得出 a2+b2=c2
(3 )這次將4 個直角三角形的直角部分朝內(nèi)放,排成一個邊長為c 的正方
形PQRS(見圖3 ),中間的洞(陰影部分)則是邊長為b -a 的正方形。
正方形PQRS的面積= 陰影部分正方形的面積+4個三角形的面積
得出 c2=a2+b2
(4 )此證明于1860年首次發(fā)表,同樣也是著眼于使面積相等的概念。這題
與上述的第一、第二個方法有頗多類似之處。
正方形ABNL的面積
= 正方形KCOM的面積-4 個三角形的面積
= 正方形DFHI的面積-4 個三角形的面積
= 正方形DFHI的面積-長方形ACBI的面積-長方形CEFC的面積
= 正方形ADEC的面積+ 正方形BCGH的面積故可得
c2=b2+a2
(5 )介紹了許多幾何變換的方法后,這里要以有趣的切變換(shearing transformation)
為基礎(chǔ)來證明勾股定理。參見圖 5.
將以BC為邊的正方形斜切至右方,并將以AC為邊的正方形向上切至與直線CD
相連。(要記住,切變換使面積保持不變。)然后再將圖形沿直線DC切換,直到
圖形抵達(dá)直線AB為止,這時圖形變成正方形ABEF.
以AB為邊的正方形面積= 以BC為邊的正方形面積+ 以AC為邊的正方形面積
所以 c2=a2+b2
(6 )此證明有時會利用相似三角形來解釋,但參考圖6 用三角函數(shù)來證明
會更容易些。
AB=AN+NB
c=b cos θ+a cosφ
將上式等號兩邊同時乘以c ,則得
c2=b2+a2
(7 )勾股定理最令人滿意的證明之一就是用向量來證明,參見圖7 所示。
c2=c.c= (a+b )。(a+b )=a.a+2a.b+b.b=a2+b2
因?yàn)?a⊥b
所以a.b=0
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