毕达哥拉斯与勾股定理

毕达哥拉斯与勾股定理
毕达哥拉斯与勾股定理

毕达哥拉斯与勾股定理
毕达哥拉斯
　　Pythagoras
　　“万物皆数”——毕达哥拉斯
　　【毕达哥拉斯(Pythagoras)简介】
　　泰勒斯(Thales)在哲学上有个对立面,这个人就是首先提出物质运动应该符合数学规律的古希腊哲学家、数学家、天文学家——毕达哥拉斯(公元前560年～公元前480年).
　　【人生简历】
　　公元前580年,毕达哥拉斯出生在米里都附近的萨摩斯岛(今希腊东部的小岛)——爱奥尼亚群岛的主要岛屿城市之一,此时群岛正处于极盛时期,在经济、文化等各方面都远远领先于希腊本土的各个城邦.
　　毕达哥拉斯的父亲是一个富商,九岁时被父亲送到提尔,在闪族叙利亚学者那里学习,在这里他接触了东方的宗教和文化.以后他又多次随父亲作商务旅行到小亚细亚.
　　公元前551年,毕达哥拉斯来到米利都、得洛斯等地,拜访了泰勒斯、阿那克西曼德和菲尔库德斯,并成为了他们的学生.在此之前,他已经在萨摩斯的诗人克莱非洛斯那里学习了诗歌和音乐.
　　公元前550年,30岁的毕达哥拉斯因宣传理性神学,穿东方人服装,蓄上头发从而引起当地人的反感,从此萨摩斯人一直对毕达哥拉斯有成见,认为他标新立异,鼓吹邪说.毕达哥拉斯被迫于公元前535年离家前往埃及,途中他在腓尼基各沿海城市停留,学习当地神话和宗教,并在提尔一神庙中静修.
　　抵达埃及后,国王阿马西斯推荐他入神庙学习.从公元前535年到公元前525年这十年中,毕达哥拉斯学习了象形文字和埃及神话历史和宗教,并宣传希腊哲学,受到许多希腊人尊敬,有不少人投到他的门下求学.
　　毕达哥拉斯在49岁时返回家乡萨摩斯,开始讲学并开办学校,但是没有达到他预期的成效.公元前520年左右,为了摆脱当时君主的暴政,他与母亲和唯一的一个门徒离开萨摩斯,移居西西里岛,后来定居在克罗托内.在那里他广收门徒,建立了一个宗教、政治、学术合一的团体.
　　他的演讲吸引了各阶层的人士,很多上层社会的人士来参加演讲会.按当时的风俗,妇女是被禁止出席公开的会议的,毕达哥拉斯打破了这个成规,允许她们也来听讲.热心的听众中就有他后来的妻子西雅娜,她年轻漂亮,曾给他写过传记,可惜已经失传了.
　　毕达哥拉斯在意大利南部的希腊属地克劳东成立了一个秘密结社,这个社团里有男有女,地位一律平等,一切财产都归公有.社团的组织纪律很严密,甚至带有浓厚的宗教色彩.每个学员都要在学术上达到一定的水平,加入组织还要经历一系列神秘的仪式,以求达到“心灵的净化”.
　　他们要接受长期的训练和考核,遵守很多的规范和戒律,并且宣誓永不泄露学派的秘密和学说.他们相信依靠数学可使灵魂升华,与上帝融为一体,万物都包含数,甚至万物都是数,上帝通过数来统治宇宙.这是毕达哥拉斯学派和其他教派的主要区别.
　　学派的成员有着共同的哲学信仰和政治理想,他们吃着简单的食物,进行着严格的训练.学派的教义鼓励人们自制、节欲、纯洁、服从.他们开始在大希腊(今意大利南部一带)赢得了很高的声誉,产生过相当大的影响,也因此引起了敌对派的嫉恨.
　　后来他们受到民主运动的冲击,社团在克罗托内的活动场所遭到了严重的破坏.毕达哥拉斯被迫移居他林敦(今意大利南部塔兰托),并于公元前500年去世,享年80岁.许多门徒逃回希腊本土,在弗利奥斯重新建立据点,另一些人到了塔兰托,继续进行数学哲学研究,以及政治方面的活动,直到公元前4世纪中叶.毕达哥拉斯学派持续繁荣了两个世纪之久.
　　【“万物皆数”】
　　最早把数的概念提到突出地位的是毕达哥拉斯学派.他们很重视数学,企图用数来解释一切.宣称数是宇宙万物的本原,研究数学的目的并不在于使用而是为了探索自然的奥秘.他们从五个苹果、五个手指等事物中抽象出了五这个数.这在今天看来很平常的事,但在当时的哲学和实用数学界,这算是一个巨大的进步.在实用数学方面,它使得算术成为可能.在哲学方面,这个发现促使人们相信数是构成实物世界的基础.
　　毕达哥拉斯定理——勾股定理
　　毕达哥拉斯本人以发现勾股定理(西方称毕达哥拉斯定理)著称于世.这定理早已为巴比伦人和中国人所知(在中国古代大约是战国时期西汉的数学著作 《周髀 算经》中记录着商高同周公的一段对话.商高说：“…故折矩,勾广三,股修四,经隅五.”商高那段话的意思就是说：当直角三角形的两条直角边分别为3（短边）和4（长边）时,径隅（就是弦）则为5.以后人们就简单地把这个事实说成“勾三股四弦五”.这就是中国著名的勾股定理.),不过最早的证明大概可归功于毕达哥拉斯.他是用演绎法证明了直角三角形斜边平方等于两直角边平方之和,即毕达哥拉斯定理(勾股定理).
　　数论
　　毕达哥拉斯对数论作了许多研究,将自然数区分为奇数、偶数、素数、完全数、平方数、三角数和五角数等.在毕达哥拉斯派看来,数为宇宙提供了一个概念模型,数量和形状决定一切自然物体的形式,数不但有量的多寡,而且也具有几何形状.在这个意义上,他们把数理解为自然物体的形式和形象,是一切事物的总根源.因为有了数,才有几何学上的点,有了点才有线面和立体,有了立体才有火、气、水、土这四种元素,从而构成万物,所以数在物之先.自然界的一切现象和规律都是由数决定的,都必须服从“数的和谐”,即服从数的关系.
　　毕达哥拉斯还通过说明数和物理现象间的联系,来进一步证明自己的理论.他曾证明用三条弦发出某一个乐音,以及它的第五度音和第八度音时,这三条弦的长度之比为6:4:3.他从球形是最完美几何体的观点出发,认为大地是球形的,提出了太阳、月亮和行星作均匀圆运动的思想.他还认为十是最完美的数,所以天上运动的发光体必然有十个.
　　一个理论
　　他还有一套这样的理论：地球沿着一个球面围绕着空间一个固定点处的“中央火”转动,另一侧有一个“对地星”与之平衡.这个“中央火”是宇宙的祭坛,是人永远也看不见的.这十个天体到中央火之间的距离,同音节之间的音程具有同样的比例关系,以保证星球的和谐,从而奏出天体的音乐.
　　整数的变化
　　毕达哥拉斯和他的学派在数学上有很多创造,尤其对整数的变化规律感兴趣.例如,把(除其本身以外)全部因数之和等于本身的数称为完全数(如6,28, 496等),而将本身大于其因数之和的数称为盈数；将小于其因数之和的数称为亏数.
　　几何的其他贡献
　　在几何学方面,毕达哥拉斯学派证明了“三角形内角之和等于两个直角”的论断；研究了黄金分割；发现了正五角形和相似多边形的作法；还证明了正多面体只有五种——正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体.
　　万物皆数
　　他同时任意地把非物质的、抽象的数夸大为宇宙的本原,认为“万物皆数”,“数是万物的本质”,是“存在由之构成的原则”,而整个宇宙是数及其关系的和谐的体系.毕达哥拉斯将数神秘化,说数是众神之母,是普遍的始原,是自然界中对立性和否定性的原则.
　　【毕达哥拉斯得到的伦理观】
　　在早年的治学时期,毕达哥拉斯经常到各地演讲,以向人们阐明经过他深思熟虑的见解,除了“数是万物之原”的主题外,他还常常谈起有关道德伦理的问题.
　　他对议事厅的权贵们说,“一定要公正.不公正,就破坏了秩序,破坏了和谐,这是最大的恶.起誓是很严重的行为,不到关键时刻不要随便起誓,可是每个官员应能立下保证,保证自己不说谎话.”
　　在谈到治家时,他认为对儿女的爱是不能指望有回报的,但做父亲的应当努力用自己的言行去获得子女由衷的敬爱.父母的爱是神圣的,作子女的应当珍惜.子女应是父母的朋友,兄弟姐妹之间也应该彼此互敬互爱.当提到夫妻关系时,他说彼此尊重是最重要的,双方都应忠实于配偶.
　　他谈到过自律的问题.他说,自律是对人个性的一种考验,对儿童、少年、老人、妇女来说,能自律是一种美德,但对年轻人来说,则是必要.自律使你身体健康,心灵洁净,意志坚强.毕达哥拉斯从如何培养自律讲到教育的重要性,他认为人的自律只能在理性和知识的指导下才能培养起来,而知识只能通过教育才能获得,所以教育的重要性是不容忽视的.
　　他形象的描述了教育的特性：“你能通过学习从别人那里获得知识,但教授你的人却不会因此失去了知识.这就是教育的特性.世界上有许多美好的东西.好的禀赋可以从遗传中获得,如健康的身体,娇好的容颜,勇武的个性；有的东西很宝贵,但一经授予他人就不再归你所有,如财富,如权力.而比这一切都宝贵的是知识,只要你努力学习,你就能得到而又不会损害他人,并可能改变你的天性.”
　　诚然,作为一种唯心主义的世界观,毕达哥拉斯和他的学派的科学探索无法找到正确的方向,甚至在某种程度上给后来的自然哲学以及科学的发展带来了很大的消极影响.但是,这些失误,并不能掩盖毕达哥拉斯在自然科学形成和发展过程中起到的积极作用.列宁告诉我们,毕达哥拉斯是“科学思维的萌芽同宗教神话之类幻想间的一种联系”.
　　【毕达哥拉斯的小故事】
　　毕达哥拉斯有次应邀参加一位富有政要的餐会,这位主人豪华宫殿般的餐厅铺着是正方形美丽的大理石地砖,由于大餐迟迟不上桌,这些饥肠辘辘的贵宾颇有怨言；这位善于观察和理解的数学家却凝视脚下这些排列规则、美丽的方形磁砖,但毕达哥拉斯不只是欣赏磁砖的美丽,而是想到它们和[数]之间的关系,于是拿了画笔并且蹲在地板上,选了一块磁砖以它的对角线 AB为边画一个正方形,他发现这个正方形面积恰好等于两块磁砖的面积和.他很好奇,于是再以两块磁砖拼成 的矩形之对角线作另一个正方形,他发现这个正方形之面积等于5块磁砖的面积,也就是以两股为边作正方形面积之和.至此毕达哥拉斯作了大胆的假设： 任何直角三角形,其斜边的平方恰好等于另两边平方之和.那一顿饭,这位古希腊数学大师,视线都一直没有离开地面.
　　【西方哲学史——毕达哥拉斯】
　　作者：英 伯特兰·罗素著 来源：《西方哲学史》
　　毕达哥拉斯对古代和近代的影响是我这一章的主题；无论就他的聪明而论或是就他的不聪明而论,毕达哥拉斯都是自有生民以来在思想方面最重要的人物之一.数学,在证明式的演绎推论的意义上的数学,是从他开始的；而且数学在他的思想中乃是与一种特殊形式的神秘主义密切地结合在一起的.自从他那时以来,而且一部分是由于他的缘故,数学对于哲学的影响一直都是既深刻而又不幸的.
　　让我们先从关于他生平已知的一些很少的事实谈起.他是萨摩岛的人,大约鼎盛于公元前523年.有人说他是一个殷实的公民叫做姆奈萨尔克的儿子,另有人说他是亚波罗神的儿子；我请读者们在这两说中自行选择一种.在他的时代,萨摩被僭主波吕克拉底所统治着,这是一个发了大财的老流氓,有着一支庞大的海军.
　　萨摩是米利都的商业竞争者；它的商人足迹远达以矿产著名的西班牙塔尔特苏斯地方.波吕克拉底大约于公元前535年成为萨摩的僭主,一直统治到公元前515年为止.他是不大顾虑道德的责难的；他赶掉了他的两个兄弟,他们原是和他一起搞僭主政治的,他的海军大多用于进行海上掠夺.不久之前米利都臣服于波斯的这件事情对他非常有利.
　　为了阻止波斯人继续向西扩张,他便和埃及国王阿马西斯联盟.但是当波斯王堪比西斯集中全力征服埃及时,波吕克拉底认识到他会要胜利,于是就改变了立场.他派遣一支由他的政敌所组成的舰队去进攻埃及；但是水兵们叛变了,回到萨摩岛向他进攻.虽然他战胜了他们,但是最后还是中了一桩利用他的贪财心的阴谋而垮台了.在萨尔底斯的波斯总督假装着要背叛波斯大王,并愿拿出一大笔钱来酬答波吕克拉底对他的援助；波吕克拉底到大陆上去会晤波斯总督时,便被捕获并被钉死在十字架上.
　　波吕克拉底是一位艺术的保护主,并曾以许多了不起的建筑美化了萨摩.安那克里昂就是他的宫廷诗人.然而毕达哥拉斯却不喜欢他的政府,所以便离开了萨摩岛.据说——而且不是不可能的——毕达哥拉斯到过埃及,他的大部分智慧都是在那里学得的；无论情形如何,可以确定的是他最后定居于意大利南部的克罗顿.
　　意大利南部的各希腊城市也象萨摩岛和米利都一样,都是富庶繁荣的；此外,它们又遭受不到波斯人的威胁①.最大的两个城市是西巴瑞斯和克罗顿.西巴瑞斯的奢华至今还脍炙人口；据狄奥多罗斯说,它的人口当全盛时期曾达三十万人之多,虽然无疑地这是一种夸大.克罗顿与西巴瑞斯的大小大致相等.两个城市都靠输入伊奥尼亚的货物至意大利为生,一部分货物是做为意大利的消费品,一部分则从西部海岸转口至高卢和西班牙.意大利的许多希腊城市彼此激烈地进行征战；当毕达哥拉斯到达克罗顿的时候,克罗顿刚刚被劳克瑞所战败.然而在毕达哥拉斯到达之后不久,克罗顿对西巴瑞斯的战争便取得了完全的胜利,西巴瑞斯彻底地被毁灭了（公元前510年）.西巴瑞斯与米利都在商业上一直有密切的联系.克罗顿以医学著名；克罗顿有一个人德谟西底斯曾经做过波吕克拉底的御医,后来又作过大流士的御医.毕达哥拉斯和他的弟子在克罗顿建立了一个团体,这个团体有一个时期在该城中是很有影响的.但是最后,公民们反对他,于是他就搬到梅达彭提翁（也在意大利南部）,并死于此处.不久他就成为一个神话式的人物,被赋与了种种奇迹和神力,但是他也是一个数学家学派的创立者②.这样,就有两种相反的传说争论着他的事迹,而真相便很难弄清楚.
　　毕达哥拉斯是历史上最有趣味而又最难理解的人物之一.不仅关于他的传说几乎是一堆难分难解的真理与荒诞的混合,而且即使是在这些传说的最单纯最少争论的形式里,它们也向我们提供了一种最奇特的心理学.简单地说来,可以把他描写成是一种爱因斯坦与艾地夫人的结合.他建立了一种宗教,主要的教义是灵魂的轮回①和吃豆子的罪恶性.他的宗教体现为一种宗教团体,这一教团到处取得了对于国家的控制权并建立起一套圣人的统治.但是未经改过自新的人渴望着吃豆子,于是就迟早都反叛起来了.
　　勾股定理
　　勾股定理又叫商高定理,或称毕达哥拉斯定理：
　　在一个直角三角形中,斜边边长的平方等于两条直角边边长平方之和.如果直角三角形两直角边分别为a、b,斜边为c,那么a
　　据考证,人类对这条定理的认识,少说也超过 4000 年!
　　中国最早的一部数学著作——《周髀算经》的开头,就有这条定理的相关内容：周公问：“窃闻乎大夫善数也,请问古者包牺立周天历度.夫天不可阶而升,地不可得尺寸而度,请问数安从出?”商高答：“数之法出于圆方,圆出于方,方出于矩,矩出九九八十一,故折矩以为勾广三,股修四,径隅五.既方其外,半之一矩,环而共盘.得成三、四、五,两矩共长二十有五,是谓积矩.故禹之所以治天下者,此数之所由生也.”从上面所引的这段对话中,我们可以清楚地看到,我国古代的人民早在几千年以前就已经发现并应用勾股定理这一重要懂得数学原理了.
　　在西方有文字记载的最早的证明是毕达哥拉斯给出的.据说当他证明了勾股定理以后,欣喜若狂,杀牛百头,以示庆贺.故西方亦称勾股定理为“百牛定理”.遗憾的是,毕达哥拉斯的证明方法早已失传,我们无从知道他的证法.
　　实际上,在更早期的人类活动中,人们就已经认识到这一定理的某些特例.除上述两个例子外,据说古埃及人也曾利用“勾三股四弦五”的法则来确定直角.但是,这一传说引起过许多数学史家的怀疑.比如说,美国的数学史家M·克莱因教授曾经指出：“我们也不知道埃及人是否认识到毕达哥拉斯定理.我们知道他们有拉绳人（测量员）,但所传他们在绳上打结,把全长分成长度为3、4、5的三段,然后用来形成直角三角形之说,则从未在任何文件上得证实.”不过,考古学家们发现了几块大约完成于公元前2000年左右的古巴比伦的泥板书,据专家们考证,其中一块上面刻有如下问题：“一根长度为 30个单位的棍子直立在墙上,当其上端滑下6个单位时,请问其下端离开墙角有多远?”这是一个三边为为3:4:5三角形的特殊例子；专家们还发现,在另一块泥板上面刻着一个奇特的数表,表中共刻有四列十五行数字,这是一个勾股数表：最右边一列为从1到15的序号,而左边三列则分别是股、勾、弦的数值,一共记载着15组勾股数.这说明,勾股定理实际上早已进入了人类知识的宝库.
　　勾股定理是几何学中的明珠,它充满魅力,千百年来,人们对它的证明趋之若鹜,其中有著名的数学家、画家,也有业余数学爱好者,有普通的老百姓,也有尊贵的政要权贵,甚至有国家总统.也许是因为勾股定理既重要又简单又实用,更容易吸引人,才使它成百次地反复被人炒作,反复被人论证.1940年出版过一本名为《毕达哥拉斯命题》的勾股定理的证明专辑,其中收集了367种不同的证明方法.实际上还不止于此,有资料表明,关于勾股定理的证明方法已有500余种,仅我国清末数学家华蘅芳就提供了二十多种精彩的证法.这是任何定理无法比拟的.（※关于勾股定理的详细证明,由于证明过程较为繁杂,不予收录.）
　　人们对勾股定理感兴趣的原因还在于它可以作推广.
　　欧几里得在他的《几何原本》中给出了勾股定理的推广定理：“直角三角形斜边上的一个直边形,其面积为两直角边上两个与之相似的直边形面积之和”.
　　从上面这一定理可以推出下面的定理：“以直角三角形的三边为直径作圆,则以斜边为直径所作圆的面积等于以两直角边为直径所作两圆的面积和”.
　　勾股定理还可以推广到空间：以直角三角形的三边为对应棱作相似多面体,则斜边上的多面体的表面积等于直角边上两个多面体表面积之和.
　　若以直角三角形的三边为直径分别作球,则斜边上的球的表面积等于两直角边上所作二球表面积之和.
　　如此等等.
　　【附录】
　　一、【《《周髀算经》·》简介】
　　《周髀算经》算经十书之一.约成书于公元前二世纪,原名《周髀》,它是我国最古老的天文学著作,主要阐明当时的盖天说和四分历法.唐初规定它为国子监明算科的教材之一,故改名《周髀算经》.《周髀算经》在数学上的主要成就是介绍了勾股定理及其在测量上的应用.原书没有对勾股定理进行证明,其证明是三国时东吴人赵爽在《周髀注》一书的《勾股圆方图注》中给出的.
　　《周髀算经》使用了相当繁复的分数算法和开平方法.
　　二、【伽菲尔德证明勾股定理的故事】
　　1876年一个周末的傍晚,在美国首都华盛顿的郊外,有一位中年人正在散步,欣赏黄昏的美景,他就是当时美国俄亥俄州共和党议员伽菲尔德.他走着走着,突然发现附近的一个小石凳上,有两个小孩正在聚精会神地谈论着什么,时而大声争论,时而小声探讨.由于好奇心驱使,伽菲尔德循声向两个小孩走去,想搞清楚两个小孩到底在干什么.只见一个小男孩正俯着身子用树枝在地上画着一个直角三角形.于是伽菲尔德便问他们在干什么?那个小男孩头也不抬地说：“请问先生,如果直角三角形的两条直角边分别为3和4,那么斜边长为多少呢?”伽菲尔德答道：“是5呀.”小男孩又问道：“如果两条直角边长分别为5和7,那么这个直角三角形的斜边长又是多少?”伽菲尔德不假思索地回答道：“那斜边的平方一定等于5的平方加上7的平方.”小男孩又说：“先生,你能说出其中的道理吗?”伽菲尔德一时语塞,无法解释了,心里很不是滋味.
　　于是,伽菲尔德不再散步,立即回家,潜心探讨小男孩给他出的难题.他经过反复思考与演算,终于弄清了其中的道理,并给出了简洁的证明方法.