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勾股定理的多種證法

 湖南衡陽縣人 2017-02-27

勾股定理,是幾何學中一顆璀璨的明珠,是幾何學的奠基定理,在高等數(shù)學和其他學科學領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。勾股定理發(fā)現(xiàn)最早的人是我國公元前1100年左右的西周時期的數(shù)學家商高,根據(jù)記載,商高曾經(jīng)和周公討論過“勾3股4弦5”的問題,因而勾股定理又稱商高定理。成書于公元前1世紀的《周髀算經(jīng)》記載了勾股定理的公式與證明,并系統(tǒng)介紹了勾股定理及其在測量上的應(yīng)用以及怎樣引用到天文計算。

有的國家稱勾股定理為“畢達哥拉斯定理”。這是由于在商高發(fā)現(xiàn)勾股定理500多年后,希臘的著名數(shù)學家畢達哥拉斯(約公元前580~前500)才發(fā)現(xiàn)了這個定理,因此世界上一些國家也稱勾股定理為“畢達哥拉斯”定理。相傳2500多年前,畢達哥拉斯有一次在朋友家作客,大餐遲遲不上桌,貴賓頗有怨言;但善于觀察和理解的數(shù)學家畢達哥拉斯卻凝視腳下排列規(guī)則、美麗整齊的方形磁磚,拿出畫筆蹲在地板上,選了一塊磁磚以它的對角線為邊畫一個正方形,他發(fā)現(xiàn)這個正方形面積恰好等于兩塊磁磚的面積和。他很好奇,于是再以兩塊磁磚拼成的矩形之對角線作另一個正方形,他發(fā)現(xiàn)這個正方形之面積等于5塊磁磚的面積,至此畢達哥拉斯作了大膽的假設(shè):任何直角三角形,其斜邊的平方恰好等于另兩邊平方之和。

2000多年來,人們對勾股定理的證明饒有興趣,由于這個定理重要、基本、貼近生活,以至于平民百姓,帝王總統(tǒng)都熱心證明,因而新的證法不斷出現(xiàn),下面筆者向大家介紹幾種證明方法。

1、趙爽弦圖證明方法:趙爽弦圖是3世紀我國漢代的趙爽在注解《周髀算經(jīng)》時給出的。趙爽圖指出:如圖3,四個全等的直角三角形(紅色)可以如圖圍成一個大正方形,中空的部分是一個小正方形(黃色)

勾股定理的多種證法

趙爽利用弦圖證明勾股定理的思路如下:把邊長分別為a、b的兩個正方形連在一起,如圖1,它的面積是a方+b方;另一方面,這個圖形可分割成四個全等的直角三角形(紅色)和一個正方形形(黃色),把圖(2)中左右兩個三角形移到圖(2)上面所示的位置,就會形成一個以c為邊長的正方形,如圖(3),因為圖(1)與圖(3)的面積相等,因此有a方+b方=c方,勾股定理得證。

趙爽的證明別具匠心,極富創(chuàng)新意識。他用幾何圖形的切割、拼接,巧妙地利用面積關(guān)系證明了勾股定理,表現(xiàn)了我國古人對數(shù)學的鉆研精神和聰明才智,是我國古代數(shù)學的驕傲,因此這個圖案(圖3)被選為2002年在北京召開的國際數(shù)學家大會的會徽。

2、畢達哥拉斯的證明:

圖(1)與圖(2)都是邊長為a+b的正方形,其面積相等,然左邊正方形的面積為

勾股定理的多種證法

畢達哥拉斯的證明也是巧奪天工。數(shù)形結(jié)合的典范。

3、美國第20任總統(tǒng)詹姆斯·加菲爾德的證明:如圖,把兩個全等的直角三角形拼成如圖所示的形狀,使C、B、D三點在一條直線上,不難證明梯形ACDE是直角梯形,△ABE是等腰直角三角形,且3個三角形的面積之和等于梯形的面積。即:

勾股定理的多種證法

勾股定理的證明,還有很多證明方法如:

4、利用幾何射影定理證明:

如圖,在Rt△ABC中,∠ACB=90o,作CD⊥AB于D,

勾股定理的多種證法

5、利用切割線定理證明:

在Rt△ABC中,∠C=90o,設(shè)BC=a,AC=b,AB=c

以BC為半徑作⊙B交AB于D,交AB的延長線于E

則AC切⊙B于C,由切割線定理得:

勾股定理的多種證法

6.利用內(nèi)切圓半徑及面積證明

設(shè)Rt△ABC中,∠C=90o,∠A、∠B、∠C對的邊分別為a、b、c,內(nèi)切圓為⊙O,⊙O切BC、AB、AC于D、E、F,則AF=AE,BE=BD,CD=CF,易證CDOF是正方形,設(shè)內(nèi)切圓半徑為r,則CD=CF=r,∵b=CF+AF=r+AE,同理:a=r+BE,

∴a+b=2r+AE+BF=2r+c,∴a+b-c=2r,∴a+b=2r+c, ①

勾股定理的多種證法

7、三角函數(shù)法證明

設(shè)Rt△ABC中∠C=90o∠A、∠B、∠C對的邊分別為a、b、c,

則a=csinA,b=ccosA,

勾股定理的多種證法

8、托勒密定理證明

如圖,Rt△ABC中,∠ACB=90o,AC=a,BC=b,AB=c,外接圓為⊙O,延長CO交⊙O于D,連AD、BD,則ACBD為矩形。由托勒密定理得

AC·BD+AD·BC=AB·CD,∵AC=BD=a,AD=BC=b,AB=CD=c

勾股定理的多種證法

勾股定理證明方法頗多。有人統(tǒng)計約有400種證明方法,是數(shù)學定理中證明方法最多的定理之一,這足以說明勾股定理深入人心,運用廣泛。

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