深度学习古泥板上数的奥秘
——探索勾股数集的结构
广东省佛山市顺德区大良街道凤城实验学校 李永红 李典
云南师范大学研究生院教育学院 李雄
[摘要] 古泥板上的数,是15组勾股数。在告诉我们寻找勾股数的方法。这样一来,我们就可以把勾股数组成的集合写成G0={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+}。勾股数集G0并没有囊括所有的勾股数组,但并不说勾股数集G0的结构是杂乱无章的。事实上,勾股数集G0是可以划分。分为三类就可以简写为G0=G01
G02
G03。这里的G01是G0的基集。奇怪的是,不属于勾股数集G0的勾股数组组成的集合也是以G01为基集合的,可以由G01衍生出来。不属于勾股数集G0的勾股数组组成的集合我们称为G1,G1={(ta、tb、tc)
a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(ta、tb、tc)=t,t
z+、,t≠p2、t≠2p2、p
z+}。
[关键词]古泥板上的数、勾股数集、勾股数集的划分、勾股数集的基集、勾股数集全集、勾股数集的结构。
美国哥伦比亚大学收藏了一块古巴比伦时代的泥板,经科学家研究,发现这块泥板上的三列文字实际上是三列数字,数学上又称数阵。下面我们给予详细解读。
一、观察了解。这个数阵有三列十五行,总共45个数,都是正整数。45又是九个五,在我们中华民族文明史上素有“九五至尊”之说,所以在我们看来,泥板上偏偏只收纳45个数,意味着收纳者绝非等闲之辈,不是王者也是主教,就是一般学者也是为此耗费毕生心血的大智慧者学问家;收纳者只收45个整数,是不要人夸颜色好只留清气满乾坤。不过古巴比伦是否有此一说,尚待考证,我们姑且如此解读。从上下排列的列上看有3列,第一列15个数全是偶数,从大小上看毫无章法;第二列15个数,前14个都是奇数,最后一个是偶数,从大小上看也看不出有什么顺序;第三列的15个数,前14个数也都是奇数,最后一个是偶数,从大小上看也看不出什么次序。显然这不是有着日期顺承关系的流水帐,按着日期的顺序一天一天记下来的。从左右排列的行上看有15行,每行三个数,前两个数都要比后面的第三个数小。
二、探究理解。15行的每一行,不仅前两个数a、b都比后一个数c小,而且前两个数的平方和等于后一个数的平方,满足等式a2+b2=c2。人们往往把满足等式a2+b2=c2的正整数a、b、c称为勾股数,因此,这15行数是15 组勾股数。原来古泥板上的数阵就是一个由15组勾股数为元素的勾股数集。前14组勾股数除去第十一组外的每一组的三个数除了公因数是1外再也没有其它的公因数,简称三个数互质(或互素),记为(a、b、c)=1,最后一组的三个数最大公因数是2,记作(90、56、106)=2;第十一组的公因式是15,记作(60,45。75)=15。
三、深度学习。既然前14行每一行的后两个数有一个共同的特征,都是奇数,两个奇数的和或差一定是偶数,那么我们不妨把每一行后面的两个分别相加、相减,得出两个偶数来,看看有没什么特征。
1、119+169=288, 169 —119=50
2、3367+4825=8182, 4825 — 3367=1458
3、4601+6649=11250, 6649 — 4601=2048
4、12709+18541=31225, 18541 — 12709=5832
5、65+97=162, 97 — 65=32
......
没错,结果都是偶数,除此之外看不出有什么明显的特征。但既然是偶数,我们再都除以2,看看又能得出什么样的数。
1、288÷2=144,50÷2=25
2、8182÷2=4096,1458÷2=729
3、11250÷2=5625,2048÷2=1024
4、31225÷2=15625,5832÷2=2916
5、162÷2=81,32÷2=16
......
这些数,特征就显现出来了,尽管有的是奇数也有的是偶数,但都是一个正整数的平方数。和,除以2商出的数大,差,除以2商出的数小,但都是一个正整数的平方数,我们不妨设大数的正整数为m,小数的正整数为n,由于m2大于n2,所以两个正整数m、n的大小是:m大于n。
那么每一行的m、n与同行的第一个偶数有关吗?我们来看看每一行的m、n和第一个数a:
1、m2=144,n2=25,m=12,n=5 a=120
2、m2=4096,n2=729,m=64,n=27,a=3456
3、m2=5625,n2=1024 m=75,n=32,a=4800
4、m2=15625, n2=2916 m=125,n=54,a=13500
5、 m2=81 n2=16 M=9,n=4,a=72
......
每一行的m与n相乘,积都是a的一半,也就是
mn=a,反过来,就是:a=2mn。
同样我们由式 {反过来也可以得到:
{。
原来这些数,在告诉我们,每一行的三个正整数a、b、c,不仅满足a2+b2=c2,是勾股数,而且还在告诉我们寻找勾股数的方法。寻找勾股数a、b、c的方法是,先任意取两个正整数m、n,不妨使m大于n,算出a=2mn,b=m2 —n2,c=m2+n2,就可以得到一组勾股数a、b、c。如取m=50,n=27,就可以得到a=2700,b=1771,c=3229,而(2700,1771,3229)就是古泥板上的第十行的三个勾股数。
这样一来,我们就可以把勾股数组成的集合写成G0={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+}.古泥板上最后一行的勾股数(90,56,106)尽管都是偶数,与其余14行的勾股数不同,但也属于集合G0中的一个元素。当取m=9,n=5时,a=2×9×5=90,b=92-52=56,c=92+52=106,可见,(90,56,106)
G0。由此可见,勾股数集G0不只含有互质的勾股数,还含有公因数为2的勾股数。公因式是2的勾股数很多,如(16,30,34)是取m=5,n=3的勾股数;(18,80,82)是取m=9,n=1时的勾股数;(126,32,130)是取m=9,n=7时的勾数;即(16,30,34)
G0,(18,80,82)
G0,(126,32,130)
G0。
我们知道有公因数为2的数就是偶数,那么是否可以说勾股数集G0 是含有所有偶数勾股数组元素的勾股数集呢?答案是否定的,如(18,24,30)就不存在m、n,使a=2mn=18,b=m2 - n2=24,c=m2+n2=30,或使a=2mn=24,b=m2-n2=18,c=m2+n2=30即(18,24,30)G0。又如(42,56,70)
G0;(154,528,550)
G0,(72,96,120)
G0。
何止这样类型的偶数勾股数不属于G0,就是很多公因数为奇数的勾股数也不属于G0,如古泥板上第十一行的勾股数(60,45,75)G0。而(60,45,75)的公因式是15。这样类型的勾股数也是大量存在的,如(9,12,15)
G0,(21,28,35)
G0,(132,55,143)
G0,(82,63,105)
G0,但这不是说所有的有公因数为奇数的勾股数都不属于勾股数集G0,还是有不少含有奇数公因数的勾股数属于勾股数集G0,如(27,36,45)就属于勾股数集G0,因为取m=6,n=3时,就可得到a=2mn=2
6
3=36,b=m2-n2=62-32=27,c=m2-n2=45。
这么说来,勾股数集G0既含有互质的勾股数组,又含有一些公因式为奇数的勾股数组,也含有一些公因数为偶数的勾股数组;而且又有些公因数为奇数的勾股数组不属于勾股数集G0,也有些公因数为偶数的勾股数组不属于勾股数集G0,也就说勾股数集G0并没有囊括所有的勾股数组,但并不说勾股数集G0的结构是杂乱无章的。
事实上,勾股数集G0是可以划分的,可以简单地划分为两类,也可以详细地划分为三类。分为两类即是
G0={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+}
={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=p2,p
z+}
{(a、b、c)
a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=2p2,p
z+}。
分为三类即是
G0={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+}
={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=1}
{(a、b、c)
a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=p2,p≠1,p
z+}
{(a、b、c)
a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=2p2,p
z+}。
如果设
G01={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=1},
G02={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=p2,p≠1,p
z+},
G03={(a、b、c)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(a、b、c)=2p2,p
z+},
那么分为三类就可以简写为G0=G01G02
G03。这里的G01是G0的基集,也说是说,G0中的G02是可以由G01衍生出来的,G0中的G03也是可以由G01衍生出来的,用数学符号表示则为:
(其中p≠1,
)与之对应;
(其中
)与之对应。所以不妨把等式G0=G01
G02
G03,简写成G0=G01
P2G01
2P2G01。
奇怪的是,不属于勾股数集G0的勾股数组,也就是说勾股数集G0以外的勾股数组组成的集合也是以G01为基集合的,可以由G01衍生出来。不属于勾股数集G0的勾股数组组成的集合我们称为G1,G1={(ta、tb、tc)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(ta、tb、tc)=t,t
z+、,t≠p2、t≠2p2、p
z+}。
勾股数集G1也可进行划分,可以划分成两个子集G11和G12,即G1=G11G12其中
G11={(ta、tb、tc)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(ta、tb、tc)=t=2k+1,k
z+、t≠p2、p
z+},
G12={(ta、tb、tc)a=2mn,b=m2 - n2,c=m2+n2,m>n,m
z+,n
z+,(ta、tb、tc)=t=2k,k
z+、k≠p2、k≠2p2、p
z+},这个划分是按勾股数的奇偶性来划分的,G11是公因数为奇数的勾股数集,G12是公因数是偶数的勾股数集。
至此,我们清楚了,勾股数全集G也是可以简单地划分为两类G0和G1,详细地就要划分为以G01为基集合的连同它自己的五个子集构成的,即是
G=G0G1=G01
G02
G03
G11
G12,
这五个子集每两个的交集都是空集,但都是由G01衍生而成的,因此可以统一写成:
G={(a、b、c)a=2tmn,b=t(m2 - n2),c=t(m2+n2),m>n,m
z+,n
z+、t
z+}。
G0中的每一组勾股数是由两个正整数m、n确定的,是二维勾股数,可以叫做平面勾股数,G1中的每一组勾股数是由三个正整数m、n、t(t≠1)确定的,是三维的,可以叫做立体勾股数。有趣的是G02和G03既可以由两个正整数确定,也可以由三个正整数确定,因此既可以叫平面勾股数,也可以叫做立体勾股数。勾股数基集G01中的每一组勾股数只能是二维的平面勾股数,不是三维的立体勾股数。
遗憾的是,古泥板上的数对两类勾股数无一例收纳,一类是象(243,324,405),属于G02的勾股数;一类是象(84,112,130),属于G12的勾股数,无一例编排。此所谓是智者千虑必有一失,但毕竟是瑕不掩玉。这块古巴比伦时代的泥板岂只是泥板,完全是块智慧的美玉,闪烁着耀眼的光芒,在古巴比伦泥板书中是那么地璀璨夺目。