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勾股定理的多种证明方法

发布时间:2020-03-04 01:40:59 来源:范文大全 收藏本文 下载本文 手机版

勾股定理的多种证明方法

这个定理有许多证明的方法,其证明的方法可能是数学众多定理中最多的。路明思(Elisha Scott Loomis)的 Pythagorean Proposition( 《毕达哥拉斯命题》)一书中总共提到367种证明方式。

有人会尝试以三角恒等式(例如:正弦和余弦函数的泰勒级数)来证明勾股定理,但是,因为所有的基本三角恒等式都是建基于勾股定理,所以不能作为勾股定理的证明(参见循环论证)。

证法

1作两个全等的直角三角形,设它们的两条直角边长分别为a、b(b>a) ,斜边长为c.再做一个边长为c的正方形.把它们拼成如图所示的多边形,使E、A、C三点在一条直线上.过点Q作QP∥BC,交AC于点P.

过点B作BM⊥PQ,垂足为M;再过点

F作FN⊥PQ,垂足为N.

∵ ∠BCA = 90°,QP∥BC,

∴ ∠MPC = 90°,

∵ BM⊥PQ,

∴ ∠BMP = 90°,

∴ BCPM是一个矩形,即∠MBC = 90°.

∵ ∠QBM + ∠MBA = ∠QBA = 90°,

∠ABC + ∠MBA = ∠MBC = 90°,

∴ ∠QBM = ∠ABC,

又∵ ∠BMP = 90°,∠BCA = 90°,BQ = BA = c,

∴ RtΔBMQ ≌ RtΔBCA.

同理可证RtΔQNF ≌ RtΔAEF.即a^2+b^2=c^

2证法2

作两个全等的直角三角形,设它们的两条直角边长分别为a、b(b>a) ,斜边长为c.再作一个边长为c的正方形.把它们拼成如图所示的多边形.

分别以CF,AE为边长做正方形FCJI和AEIG,

∵EF=DF-DE=b-a,EI=b,

∴FI=a,

∴G,I,J在同一直线上,

∵CJ=CF=a,CB=CD=c,

∠CJB = ∠CFD = 90°,

∴RtΔCJB ≌ RtΔCFD ,

同理,RtΔABG ≌ RtΔADE,

∴RtΔCJB ≌ RtΔCFD ≌ RtΔABG ≌ RtΔADE

∴∠ABG = ∠BCJ,

∵∠BCJ +∠CBJ= 90°,

∴∠ABG +∠CBJ= 90°,

∵∠ABC= 90°,

∴G,B,I,J在同一直线上,

a^2+b^2=c^

2证法3(欧几里得的证法)

《几何原本》中的证明

在欧几里得的《几何原本》一书中提出勾股定理由以下证明后可成立。 设△ABC为一直角三角形,其中A为直角。从A点划一直线至对边,使其垂直于对边上的正方形。此线把对边上的正方形一分为二,其面积分别与其余两个正方形相等。在正式的证明中,我们需要四个辅助定理如下:

如果两个三角形有两组对应边和这两组边所夹的角相等,则两三角形全等。(SAS定理) 三角形面积是任一同底同高之平行四边形面积的一半。 任意一个正方形的面积等于其二边长的乘积。 任意一个四方形的面积等于其二边长的乘积(据辅助定理

3)。 证明的概念为:把上方的两个正方形转换成两个同等面积的平行四边形,再旋转并转换成下方的两个同等面积的长方形。

其证明如下:

设△ABC为一直角三角形,其直角为CAB。 其边为BC、AB、和CA,依序绘成四方形CBDE、BAGF和ACIH。 画出过点A之BD、CE的平行线。此线将分别与BC和DE直角相交于K、L。 分别连接CF、AD,形成两个三角形BCF、BDA。 ∠CAB和∠BAG都是直角,因此C、A 和 G 都是线性对应的,同理可证B、A和H。 ∠CBD和∠FBA皆为直角,所以∠ABD等于∠FBC。 因为 AB 和 BD 分别等于 FB 和 BC,所以△ABD 必须相等于△FBC。 因为 A 与 K 和 L是线性对应的,所以四方形 BDLK 必须二倍面积于△ABD。 因为C、A和G有共同线性,所以正方形BAGF必须二倍面积于△FBC。 因此四边形 BDLK 必须有相同的面积 BAGF = AB^2。 同理可证,四边形 CKLE 必须有相同的面积 ACIH = AC^2。 把这两个结果相加, AB^2+ AC^2; = BD×BK + KL×KC 。由于BD=KL,BD×BK + KL×KC = BD(BK + KC) = BD×BC 由于CBDE是个正方形,因此AB^2 + AC^2= BC^2。 此证明是于欧几里得《几何原本》一书第1.47节所提出的证法4(欧几里德(Euclid)射影定理证法)

如图1,Rt△ABC中,∠ABC=90°,BD是斜边AC上的高,通过证明三角形相似则有射影定理如下:

1)(BD)^2;=AD·DC, (2)(AB)^2;=AD·AC , (3)(BC)^2;=CD·AC 。由公式(2)+(3)得:

(AB)^2;+(BC)^2;=AD·AC+CD·AC =(AD+CD)·AC=(AC)^2;,

1即 (AB)^2;+(BC)^2;=(AC)^2,这就是勾股定理的结论。

证法5(赵爽弦图)

在这幅“勾股圆方图”中,以弦为边长得到正方形ABDE是由4个相等的直角三角形再加上中间的那个小正方形组成的。每个直角三角形的面积为ab/2;中间懂得小正方形边长为b-a,则面积为(b-a)2。于是便可得如下的式子:

4×(ab/2)+(b-a)2=c

2化简后便可得:

a2+b2=c2

亦即:

c=(a2+b2)(1/2)

勾股定理的别名 勾股定理,是几何学中一颗光彩夺目的明珠,被称为“几何学的基石”,而且在高等数学和其他学科中也有着极为广泛的应用。正因为这样,世界上几个文明古国都已发现并且进行了广泛深入的研究,因此有许多名称。

我国是发现和研究勾股定理最古老的国家之一。我国古代数学家称直角三角形为勾股形,较短的直角边称为勾,另一直角边称为股,斜边称为弦,所以勾股定理也称为勾股弦定理。在公元前1000多年,据记载,商高(约公元前1120年)答周公曰“故折矩,以为句广三,股修四,径隅五。既方之,外半其一矩,环而共盘,得成三四五。两矩共长二十有五,是谓积矩。”因此,勾股定理在我国又称“商高定理”。在公元前7至6世纪一中国学者陈子,曾经给出过任意直角三角形的三边关系即“以日下为勾,日高为股,勾、股各乘并开方除之得邪至日。

在法国和比利时,勾股定理又叫“驴桥定理”。还有的国家称勾股定理为“平方定理”。

在陈子后一二百年,希腊的著名数学家毕达哥拉斯发现了这个定理,因此世界上许多国家都称勾股定理为“毕达哥拉斯”定理。为了庆祝这一定理的发现,毕达哥拉斯学派杀了一百头牛酬谢供奉神灵,因此这个定理又有人叫做“百牛定理”.

前任美国第二十届总统伽菲尔德证明了勾股定理(1876年4月1日)。1 周髀算经, 文物出版社,1980年3月, 据宋代嘉定六年本影印,1-5页。

2.陈良佐: 周髀算经勾股定理的证明与出入相补原理的关系.刊於《汉学研究》, 1989年第7卷第1期, 255-281页。

3.李国伟: 论「周髀算经」“商高曰数之法出于圆方”章.刊於《第二届科学史研讨会汇刊》, 台湾, 1991年7月, 227-234页。

4.李继闵: 商高定理辨证.刊於《自然科学史研究》,1993年第12卷第1期,29-41页 。

5.曲安京: 商高、赵爽与刘徽关於勾股定理的证明.刊於《数学传播》20卷, 台湾, 1996年9月第3期, 20-27页

证法6(达芬奇的证法)

达芬奇的证法

三张纸片其实是同一张纸,把它撕开重新拼凑之后,中间那个“洞”的面积前后仍然是一样的,但是面积的表达式却不再相同,让这两个形式不同的表达式相等,就能得出一个新的关系式——勾股定理,所有勾股定理的证明方法都有这么个共同点。观察纸片一,因为要证的事勾股定理,那么容易知道EB⊥CF,又因为纸片的两边是对称的,所以能够知道四边形ABOF和CDEO都是正方形。然后需要知道的是角A\'和角D\'都是直角,原因嘛,可以看纸片一,连结AD,因为对称的缘故,所以

∠BAD=∠FAD=∠CDA=∠EDA=45°,那么很明显,图三中角A\'和角D\'都是直角。证明:第一张纸片多边形ABCDEF的面积S1=S正方形ABOF+S正方形

CDEO+2S△BCO=OF^2+OE^2+OF·OE 第三张纸片中多边形A\'B\'C\'D\'E\'F\'的面积S2=S正方形B\'C\'E\'F\'+2△C\'D\'E\'=E\'F\'^2+C\'D\'·D\'E\'因为S1=S2 所以

OF^2+OE^2+OF·OE=E\'F\'^2+C\'D\'·D\'E\'又因为C\'D\'=CD=OE,D\'E\'=AF=OF所以

OF·OE=C\'D\'·D\'E\' 则OF^2+OE^2=E\'F\'^2因为E\'F\'=EF所以OF^2+OE^2=EF^2勾股定理得证

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