Формулы генерации пифагоровых троек - Formulas for generating Pythagorean triples
Помимо формулы Евклида, многие другие формулы для генерации Пифагорейские тройки были разработаны.
Формулы Евклида, Пифагора и Платона
Формулы Евклида, Пифагора и Платона для вычисления троек были описаны здесь:
Приведенные ниже методы появляются в различных источниках, часто без указания их происхождения.
Метод Фибоначчи
Леонардо Пизанский (c. 1170 - c. 1250) описал этот метод[1][2] для генерации примитивных троек с использованием последовательности последовательных нечетных целых чисел и тот факт, что сумма первых члены этой последовательности . Если это -й член этой последовательности, тогда .
Выберите любое нечетное квадратное число из этой последовательности () и пусть этот квадрат будет -й член последовательности. Кроме того, пусть быть суммой предыдущих сроки, и пусть быть суммой всех термины. Тогда мы установили, что и мы сгенерировали примитивную тройку [а, б, в]. Этот метод производит бесконечное количество примитивных троек, но не все из них.
ПРИМЕР: Выбрать . Это нечетное квадратное число является пятым членом последовательности, потому что . Сумма предыдущих 4 членов равна и сумма всех условия давая нам и примитивная тройка [а, б, в] = [3, 4, 5].
Прогрессии целых и дробных чисел
Немецкий математик и монах Майкл Стифель опубликовал следующий метод в 1544 г.[3][4]
Рассмотрим последовательность целых и дробных чисел:
Свойства этой прогрессии следующие: (а) целые числа являются числами общего ряда и имеют единство как их общее различие; (б) числители дробей, приложенные к целым числам, также являются натуральными числами; (c) знаменатели дробей - нечетные числа, и Т. Д.
Чтобы вычислить тройку Пифагора, выберите любой член этой прогрессии и уменьшите его до неправильной дроби. Например, возьмем термин . Несобственная дробь . Цифры 7 и 24 - стороны, а и б, прямоугольного треугольника, а гипотенуза на единицу больше наибольшей стороны. Например:
Жак Озанам[5] переиздал последовательность Стифеля в 1694 году и добавил аналогичную последовательность с терминами, полученными из . Как и раньше, чтобы получить тройку из этой последовательности, выберите любой член и уменьшите его до неправильной дроби. Числитель и знаменатель - стороны, а и б, прямоугольного треугольника. В этом случае гипотенуза полученной тройки (ей) на 2 больше, чем большая сторона. Например:
Вместе последовательности Стифеля и Озанама производят все примитивные тройки Платон и Пифагор семьи соответственно. В Ферма семью нужно искать другими способами.
С а короче и б длинная сторона треугольника:
Метод Диксона
Леонард Юджин Диксон (1920)[6] приписывает себе следующий метод генерации пифагоровых троек. Чтобы найти целочисленные решения , найти положительные целые числа р, s, и т такой, что идеальный квадрат.
Потом:
Из этого мы видим, что любое четное число и что s и т факторы . Этим методом можно найти все пифагоровы тройки. Когда s и т взаимно просты, тройка будет примитивной. Простое доказательство метода Диксона было представлено Йозефом Рукавицкой (2013).[7]
Пример: выберите р = 6. Тогда Три фактор-пары из 18: (1, 18), (2, 9) и (3, 6). Все три пары факторов дадут тройки, используя приведенные выше уравнения.
- s = 1, т = 18 дает тройку [7, 24, 25], потому что Икс = 6 + 1 = 7, у = 6 + 18 = 24, z = 6 + 1 + 18 = 25.
- s = 2, т = 9 дает тройку [8, 15, 17], потому что Икс = 6 + 2 = 8, у = 6 + 9 = 15, z = 6 + 2 + 9 = 17.
- s = 3, т = 6 дает тройку [9, 12, 15], потому что Икс = 6 + 3 = 9, у = 6 + 6 = 12, z = 6 + 3 + 6 = 15. (Поскольку s и т не взаимно просты, эта тройка не примитивна.)
Обобщенная последовательность Фибоначчи
Метод I
Для чисел Фибоначчи, начинающихся с F1 = 0 и F2 = 1 и с каждым последующим числом Фибоначчи, являющимся суммой двух предыдущих, можно сгенерировать последовательность пифагоровых троек, начиная с (а3, б3, c3) = (4, 3, 5) через
за п ≥ 4.
Метод II.
Пифагорова тройка может быть сгенерирована с использованием любых двух положительных целых чисел с помощью следующих процедур с использованием обобщенных Последовательности Фибоначчи.
Для начальных положительных целых чисел часп и часп+1, если часп + часп+1 = часп+2 и часп+1 + часп+2 = часп+3, тогда
является пифагорейской тройкой.[8]
Метод III.
Ниже приводится матрица основанный на подходе к генерации примитивных троек с помощью обобщенных последовательностей Фибоначчи.[9] Начните с массива 2 × 2 и вставьте два взаимно простых положительных целых числа. (д, д ') в верхнем ряду. Поместите четное целое число (если есть) в левая рука столбец.
Теперь примените следующее «правило Фибоначчи», чтобы получить записи в нижней строке:
Такой массив можно назвать «ящиком Фибоначчи». Обратите внимание, что д ', д, р, р' является обобщенной последовательностью Фибоначчи. Произведя столбцы, строки и диагонали, получим стороны треугольника [а, б, в], его площадь А, и его периметр п, а также радиусы ря своего окружать и три вне окружности следующее:
Касательные полууглов к острым углам равны q / p и q '/ p'.
ПРИМЕР:
С помощью совмещать целые числа 9 и 2.
Столбцы, строки и диагональные произведения: (столбцы: 22 и 117), (строки: 18 и 143), (диагонали: 26 и 99), поэтому
Касательные полууглов к острым углам составляют 2/11 и 9/13. Обратите внимание, что если выбранные целые числа q, q ' не совмещать, та же процедура приводит к непримитивной тройке.
Пифагоровы тройки и уравнение окружности Декарта
Этот метод создания примитивные пифагорейские тройки также предоставляет целочисленные решения для Уравнение окружности Декарта,[9]
где целое число искривления kя получаются путем умножения обратной величины каждого радиуса на площадь А. Результат k1 = pp ', k2 = qp ', k3 = q'p, k4 = qq '. Здесь самый большой круг считается имеющим отрицательную кривизну по сравнению с тремя другими. Самый большой круг (кривизна k4) также можно заменить окружностью меньшего размера с положительной кривизной ( k0 = 4pp '∠’qq' ).
ПРИМЕР:
Используя площадь и четыре радиуса, полученные выше для примитивной тройки [44, 117, 125], мы получаем следующие целочисленные решения уравнения Декарта: k1 = 143, k2 = 99, k3 = 26, k4 = (−18), и k0 = 554.
Тернарное дерево: создание всех примитивных пифагоровых троек
Каждая примитивная пифагорова тройка однозначно соответствует ящику Фибоначчи. И наоборот, каждый ящик Фибоначчи соответствует уникальной и примитивной пифагоровой тройке. В этом разделе мы будем использовать прямоугольник Фибоначчи вместо примитивной тройки, которую он представляет. Бесконечный тройное дерево содержащие все примитивные пифагоровы тройки / блоки Фибоначчи, можно построить с помощью следующей процедуры.[10]
Рассмотрим ящик Фибоначчи, содержащий два нечетных взаимно простых целых числа Икс и у в правом столбце.
Видно, что эти целые числа также можно разместить следующим образом:
в результате появятся еще три действительных ящика Фибоначчи, содержащие Икс и у. Мы можем думать о первом Box как о «родителе» следующих трех. Например, если Икс = 1 и у = 3 имеем:
Более того, каждый «ребенок» сам является родителем еще трех детей, которые могут быть получены с помощью той же процедуры. Продолжение этого процесса в каждом узле приводит к бесконечному тернарному дереву, содержащему все возможные блоки Фибоначчи, или, что эквивалентно, тернарному дереву, содержащему все возможные примитивные тройки. (Показанное здесь дерево отличается от классического дерева, описанного Берггреном в 1934 году, и имеет множество различных теоретико-числовых свойств.) Сравните: «Классическое дерево».[11] Смотрите также Древо первобытных пифагорейских троек.[12]
Генерация троек с помощью квадратных уравнений
Есть несколько методов определения квадратные уравнения для вычисления каждой ноги тройки Пифагора.[13] Простой способ - изменить стандартное уравнение Евклида, добавив переменную Икс для каждого м и п пара. В м, н пара рассматривается как константа, а значение Икс варьируется для создания «семьи» троек на основе выбранной тройки. Перед "Икс"значение на любом м или же п, что заставляет результирующее уравнение систематически «пропускать» тройки. Например, рассмотрим тройку [20, 21, 29], которую можно вычислить из уравнений Евклида со значением м = 5 и п = 2. Кроме того, произвольно поставьте коэффициент 4 перед знаком "Икс" в "м" срок.
Позволять и разреши
Следовательно, подставляя значения м и п:
Обратите внимание, что исходная тройка содержит постоянный член в каждом из соответствующих квадратных уравнений. Ниже приведен пример вывода этих уравнений. Обратите внимание, что эффект этих уравнений должен вызвать "м"значение в уравнениях Евклида увеличивается с шагом 4, а"п"значение увеличивается на 1.
Икс | сторона а | сторона б | сторона c | м | п |
---|---|---|---|---|---|
0 | 20 | 21 | 29 | 5 | 2 |
1 | 54 | 72 | 90 | 9 | 3 |
2 | 104 | 153 | 185 | 13 | 4 |
3 | 170 | 264 | 314 | 17 | 5 |
4 | 252 | 405 | 477 | 21 | 6 |
Пифагоровы тройки с использованием матриц и линейных преобразований
Позволять [а, б, c] быть примитивной тройкой с а странный. Затем 3 новых тройки [а1, б1, c1], [а2, б2, c2], [а3, б3, c3] может быть произведено из [а, б, c] с помощью матричное умножение и Берггрена[11] три матрицы А, B, C. Тройной [а, б, c] называется родитель из трех новых троек ( дети). Каждый ребенок сам является родителем еще трех детей и так далее. Если начать с примитивной тройки [3, 4, 5], все примитивные тройки в конечном итоге будут получены путем применения этих матриц. Результат можно графически представить в виде бесконечного тройное дерево с [а, б, c] в корневом узле. Эквивалентный результат может быть получен с использованием трех линейные преобразования показано ниже.
Три линейных преобразования Берггрена:
В качестве альтернативы, можно также использовать 3 разные матрицы, найденные Прайсом.[10] Эти матрицы А ', Б', В ' и соответствующие им линейные преобразования показаны ниже.
Три линейных преобразования цены:
Три дочерних элемента, созданные каждым из двух наборов матриц, не совпадают, но каждый набор отдельно создает все примитивные тройки.
Например, используя [5, 12, 13] в качестве родителя, мы получаем два набора из трех дочерних элементов:
Площадь пропорциональна сумме квадратов
Все примитивные тройки с и с а odd может быть сгенерировано следующим образом:[14]
Пифагорейская тройка | Полупериметр | Площадь | Радиус вписанной окружности | Радиус окружности |
---|---|---|---|---|
1 + 2 + 3 | 1 | |||
1 + 2 + 3 + 4 + 5 | 2 | |||
1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 | 3 | |||
....... | ....... | ....... | ....... | ....... |
1 + 2 + ... + а |
Теорема перечисления превышения высоты
Уэйд и Уэйд[15] впервые ввел категоризацию пифагоровых троек по их высоте, определяемую как c - b, связывая 3,4,5 с 5,12,13 и 7,24,25 и так далее.
Маккалоу и Уэйд[16] расширил этот подход, который производит все тройки Пифагора, когда Напишите положительное целое число час как pq2 с п без квадратов и q положительный. Набор d = 2pq если п странно, или d= pq если п даже. Для всех пар (h, k) натуральных чисел, тройки имеют вид
Примитивные тройки возникают, когда gcd (k, h) = 1 и либо h = q2 с q странный или час=2q2.
Рекомендации
- ^ Фибоначчи, Леонардо Пизано, (1225), Liber Quadratorum.
- ^ Фибоначчи, Леонардо Пизано. Книга квадратов (Liber Quadratorum). Аннотированный перевод на современный английский язык Л. Э. Сиглера. (1987) Орландо, Флорида: Academic Press. ISBN 978-0-12-643130-8
- ^ Стифель, Михаил, (1544), Арифметика Интегра.
- ^ Озанам, Жак (1814). «Отдых по математике и натурфилософии». 1. Г. Кирсли: 49. Получено 2009-11-19. Цитировать журнал требует
| журнал =
(помощь) - ^ Озанам, Жак, (1844). Наука и естественная философия: перевод д-ра Хаттона издания Montucla Ozanam, отредактированный Эдвардом Риддлом, Томасом Теггом, Лондон. Читать онлайн- Корнельский университет
- ^ Диксон, Л. Э. (1920), История теории чисел, Том II. Диофантов анализ, Вашингтонский институт Карнеги, публикация № 256, 12 + 803pp. Читать онлайн - University of Toronto
- ^ Рукавицкая, Дж. (2013), Возвращение к методу Диксона для создания пифагоровых троек, Европейский журнал чистой и прикладной математики ISSN 1307-5543, Vol. 6, вып.3 (2013) с.363-364, онлайн1 онлайн2
- ^ Хорадам, А. Ф., "Тройки чисел Фибоначчи", Американский математический ежемесячный журнал 68, 1961, 751-753.
- ^ а б Bernhart, Frank R .; Цена, Х. Ли (2005). «Формула Герона, круги Декарта и треугольники Пифагора». arXiv:математика / 0701624v1.
- ^ а б Цена, Х. Ли (2008). «Пифагорейское дерево: новый вид». arXiv:0809.4324.
- ^ а б Берггрен, Б. (1934). «Пытагорейский треугольник». Tidskrift för elementär matematik, fysik och kemi (на шведском языке). 17: 129–139.
- ^ Карвалью, Альда; Перейра душ Сантуш, Карлос (2012). «Очень полезное дерево Пифагора». В Сильве, Хорхе Нуно (ред.). Материалы второго коллоквиума по развлекательной математике, Университет Эворы, Португалия, 27–30 апреля 2011 г.. Лиссабон: Associação Ludus. С. 3–15. ISBN 9789899734623.
- ^ Дж. Л. Поэт и Д. Л. Вестал младший (2005). "Любопытные последствия мископируемого квадратичного", Журнал математики колледжа 36, 273–277.
- ^ Барбо, Эдвард, Power Play, Математическая ассоциация Америки, 1997, стр. 51, поз.3.
- ^ Уэйд, Питер и Уэйд, Уильям, «Рекурсии, которые производят пифоагорейские тройки», Журнал математики колледжа 31 марта 2000 г., 98-101.
- ^ Маккалоу, Дэррил и Уэйд, Элизабет, «Рекурсивное перечисление троек Пифагора», Журнал математики колледжа 34, март 2003 г., 107–111.