送给外星人看-奇妙无穷的数
几何学里有一个非常重要的定理,在我国叫勾股定理,在国外叫毕达哥拉斯定理,相传毕达哥拉斯发现这个定理后欣喜欲狂,宰了100头牛大肆庆贺了许多天,因此这个定理也叫百牛定理。
勾股定理的大意是:任意画一个直角三角形,它的两条直角边的平方和,一定会等于斜边的平方。这个定理精确地刻画了直角三角形3条边之间的数量关系,以它为基础,还可以推导出不少重要的数学结论来。
勾股定理不仅是最古老的数学定理之一,也是数学中证法最多的一个定理。几千年来,人们已经发现了400多种不同的证明方法,足以编成厚厚的一本书。实际上,国外确实有一本这样的书,书中收集有370多种不同的证法。在为数众多的证题者中,不仅有著名的数学家,也有许多数学爱好者。美国第20任总统伽菲尔德,就曾发现过一种巧妙的证法。
伽菲尔德的证法很有趣。他首先画两个同样大小的直角三角形,然后设法组成一个梯形。根据梯形面积的计算公式,整个图形的面积为
S=a+b2(a+b)
=12(a2+b2+2ab)。
另一方面,根据三角形面积计算公式,整个图形的面积为
S=12ab+12ab+12c2=12(2ab+c2)。
即a2+b2=c2。
据说,世界上最先证明勾股定理的人,是古希腊数学家毕达哥拉斯,但谁也未见过他的证法。目前所能见到的最早的一种证法,属于古希腊数学家欧几里得,他的证法采用演绎推理的形式,记载在世界上数学名著《几何原本》里。
在我国,最先明确地证明勾股定理的人,是三国时期的数学家赵爽。
赵爽的证法很有特色。首先,他作4个同样大小的直角三角形,将它们拼成设定的形状,然后再着手计算整个图形的面积。显然,整个图形是一个正方形,它的边长是C,面积为C2。另一方面,整个图形又可以看作是4个三角形与1个小正方形面积的和。4个三角形的总面积是2ab,中间那个小正方形的面积是(b-a)2,它们的和是2ab+(b-a)2=a2+b2。比较这两种方法算出的结果,就有,
a2+b2=c2。
赵爽的证法鲜明地体现了我国古代证题术的特色。这就是先对图形进行移、合、拼、补,然后再通过代数运算得出几何问题的证明。这种方法融几何代数于一体,不仅严谨,而且直观,显示出与古代西方数学完全不同的风格。
比赵爽稍晚几年,我国数学家刘徽发明了一种更巧妙的证法。在刘徽的证法里,已经用不着进行代数运算了。
刘徽想:直角三角形3条边的平方,可以看作3个不全相等的正方形,这样,要证明勾股定理,就可以理解为要证明:两条直角边上的正方形面积之和,等于斜边上正方形的面积。
于是,刘徽首先作出两条直角边上的正方形,他把由一条直角边形成的正方形叫做“朱方”,把由另一条直角边形成的正方形叫做“青方”,然后把图中标注有“出”的那部分图形,移到标注有“入”的那些位置,就拼成了图中斜置的那个正方形。刘徽把斜置的那个正方形叫做“弦方”,它正好是由直角三角形斜边形成的一个正方形。
经过这样一番移、合、拼、补,自然而然地得出结论:
朱方十青方=弦方。
即a2+b2=c2。
“青朱出入图”,这是一幅多么神奇的图啊!甚至不用去标注任何文字,只要相应地涂上朱、青两种颜色,也能把蕴含于勾股定理中的数学真理,清晰地展示在世人面前。
我国著名数学家华罗庚认为,无论是在哪个星球上,数学都是一切有智慧生物的共同语言。如果人类要与其他星球上的高级生物交流信息,最好是送去几个数学图形。其中,华罗庚特别推荐了这幅“青朱出入图”。
我们深信,如果外星人真的见到了这幅图,一定很快就会明白:地球上生活着具有高度智慧和文明的友邻,那里的人们不仅懂得“数形关系”,而且还善于几何证明。