勾股定理证明方法之一的培利加剖分( Perigal’s dissection)在《数学乐园·茅塞顿开》中已经描述过,但因为勾股定理是相当重要的定理,故在此再特别举出一些可行的证明方法,供读者做比较.
下面列举的前3个方法非常类似,而且都需要利用到4个全等的直角三角形.请将它们从卡片中剪下,并且实际练习看看.
(1)如图1所示,将4个三角形排成边长为a+b的正方形4BCD,使中间留下边长c的一个正方形洞(阴影部分).
画出正方形ABCD.现在移动三角形至图2所示的位置中,于是留下了边长分别为a与b的两个正方形洞.这么一来,图1和图2中的阴影部分面积必定相等,所以
c2=a2+b2
(2)此证明以图1为基础:
正方形ABCD的面积=阴影部分正方形的面积+4个三角形的面积
得出 a2+b2=c2
(3)这次将4个直角三角形的直角部分朝内放,排成一个边长为c的正方形PQRS(见图3),中间的洞(阴影部分)则是边长为b-a的正方形.
正方形PQRS的面积=阴影部分正方形的面积+4个三角形的面积
得出 c2=a2+b2
(4)此证明于1860年首次发表,同样也是着眼于使面积相等的概念.这题与上述的第一、第二个方法有颇多类似之处.
正方形ABNL的面积
=正方形KCOM的面积-4个三角形的面积
=正方形DFHI的面积-4个三角形的面积
=正方形DFHI的面积-长方形ACBI的面积-长方形CEFC的面积
=正方形ADEC的面积+正方形BCGH的面积故可得
c2=b2+a2
(5)介绍了许多几何变换的方法后,这里要以有趣的切变换(shearing transformation)为基础来证明勾股定理.参见图 5.
将以BC为边的正方形斜切至右方,并将以AC为边的正方形向上切至与直线CD相连.(要记住,切变换使面积保持不变.)然后再将图形沿直线DC切换,直到图形抵达直线AB为止,这时图形变成正方形ABEF.
以AB为边的正方形面积=以BC为边的正方形面积+以AC为边的正方形面积
所以 c2=a2+b2
(6)此证明有时会利用相似三角形来解释,但参考图6用三角函数来证明会更容易些.
AB=AN+NB
c=b cosθ+a cosφ
将上式等号两边同时乘以c,则得
c2=b2+a2
(7)勾股定理最令人满意的证明之一就是用向量来证明,参见图7所示.
c2=c·c=(a+b)·(a+b)=a·a+2a·b+b·b=a2+b2
因为 a⊥b
所以a·b=0
