数学小知识|勾三,股四,弦五:勾股定理的证明
学生党刘one
2022年07月21日 10:48
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上期写了余弦定理,它的证明依赖勾股定理。勾股定理也是有关三角形最为重要的定理之一。

勾股定理描述直角三角形,也就是有一个角是直角的三角形。勾股定理说,一个直角三角形的两条直角边的平方的和,等于斜边的平方。文字可能看一眼不太清楚,这里贴个图:

a、b是直角边,c是斜边(LaTeX + TikZ生成)


看标题就知道,本期专栏的首要任务就是证明勾股定理。

读者以前可能听说过弦图。赵爽的弦图是勾股定理的一种证明方法,它极具对称性。话不多说,我们来看一看弦图:

赵爽的弦图(LaTeX + TikZ生成)

弦图的思路是,把四个一模一样的直角三角形拼成一个正方形(中间还有一个小正方形)。可以看到,弦图像一个风车似的,可以用它证明勾股定理。现在把大正方形分成4个三角形和一个小正方形:

把大正方形分成4个三角形和一个小正方形(LaTeX + TikZ生成)

现在可以着手开始证明了。大正方形的边长是直角三角形的斜边,也就是c,所以大正方形的面积是c%5E2

然后是小正方形,不难看出,小正方形的边长是长直角边减去短直角边,也就是b-a,面积就是(b-a)%5E2

四个三角形怎么算呢?贴一下三角形的面积公式:

%E4%B8%89%E8%A7%92%E5%BD%A2%E9%9D%A2%E7%A7%AF%3D%E5%BA%95%5Ctimes%E9%AB%98%5Ctimes%5Cfrac12

因为四个三角形都是直角三角形,所以底就是a,高就是b,所以一个三角形的面积是%5Cfrac12ab,四个就是4%5Ctimes%5Cfrac12ab%3D2ab

这些图形的面积就是这些。为什么要算面积呢?因为用它们可以列个式子

(b-a)%5E2%2B2ab%3Dc%5E2

懒人UP主:整理后就证明完了

通过二项式定理,将(b-a)%5E2展开为b%5E2-2ab%2Ba%5E2,再将它带入上式,神奇的事情发生了:

b%5E2-2ab%2Ba%5E2%2B2ab%3Dc%5E2

这里面-2ab%2B2ab刚好抵消。这时,我们就得到了勾股定理:

a%5E2%2Bb%5E2%3Dc%5E2


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