数学之美(43)——由勾股定理与相似进入玄幻的图形转换世界

今天,我们直接进入正题,如果给一个三角形,怎么作出与它面积相等的正方形?

有的小伙伴就很吃惊,这还不简单吗?

求出三角形的面积S△,再求得S△的算术平方根,不就是正方形的边长了吗?

可问题是:如果三角形的性质是任意的,三边长度未知,无法通过测量的方法来求得面积,而且作图只能用尺规呢?

其实,这类问题我们借助勾股定理及相似里的射影定理就可以圆满解决。

基础概念.1

勾股定理

直角三角形斜边的平方等于两直角边的平方和。


基础概念.2

射影定理

基本结论如下:(我们今天用的是第一个结论),该结论的证明可以通过相似三角形或三角函数或勾股定理求得,这里不再赘述。

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现在,我们开始进行操作,LET'S GO……

STEP.1

第一步:一分为二。

作三角形内部的一条高,得到两个直角三角形。

STEP.2

直角三角形边正方形,先以其中一直角边绕直角顶点旋转90°,使得两直角边互为反向延长线。

STEP.3

以两直角边合二为一的线段为直径在三角形对侧作半圆,并延长第二步旋转的直角边,交半圆弧于一点。

根据直径所对的圆周角为90°及摄影定理第一个结论,我们可以得到:

STEP.4

以h为边作出正方形,该正方形面积即为S2.

STEP.5

同理,作出面积等于S1的正方形,如下:

STEP.6

勾股定理整合

以两正方形边为直角边作直角三角形,则以该直角三角形的斜边为边长的正方形面积为S1+S2。

这样,我们就完成了操作。

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勾股数发展

毕达哥拉斯学派明确地给出了勾股数的一组公式:

一组勾股数的正整数a=2n+1,b=2n^2+2n,c=2n^2+2n+1,其特点是斜边与其中一股的差为1.

后来,另一个古希腊学者柏拉图(Plato,约前427-前347)也给了另一组公式:a=2n,b=n^2-1,c=n^2+1,此时斜边与其中一股之差为2.

被誉为“代数学鼻祖”的古希腊数学家丢番图(Diophantus,约330-246)也在研究二次不定方程的时候,对勾股数作了一番探讨.他发现不论是毕达哥拉斯还是柏拉图的式子,都没能给出全部勾股数组,于是他找到了一个新方法:

全部解的公式是:a=2mn,y=m^2-n^2,z=m^2+n^2其中m,n(m>n)是互质且一奇一偶的任意正整数.

丢番图究竟是如何得到这组式子的,人们今天已经无从知晓.重要的是,这组式子包含了全部的勾股数组!

近代,引入复数后,借助复平面坐标系,也可以很快速找到所有的勾股数,可参考下列视频。

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