深度学习古泥板上数的奥秘

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={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+}。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=G01G02G03。这里的G01G0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G1G1={(tatbtca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(tatbtc=t,tz+t≠p2、t≠2p2、pz+}。

[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ab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abc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(abc=1,最后一组的三个数最大公因数是2,记作(9056106=2;第十一组的公因式是15,记作(604575=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。

1119+169=288,       169 119=50

23367+4825=8182,    4825 3367=1458

34601+6649=11250,   6649 4601=2048

412709+18541=3122518541 12709=5832

565+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。

1288÷2=14450÷2=25

28182÷2=40961458÷2=729

311250÷2=56252048÷2=1024

431225÷2=156255832÷2=2916

5162÷2=8132÷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m2n2,所以两个正整数mn的大小是:m大于n

那么每一行的mn与同行的第一个偶数有关吗?我们来看看每一行的mn和第一个数a

1、m2=144n2=25m=12n=5    a=120

2、m2=4096n2=729m=64n=27a=3456

3、m2=5625n2=1024    m=75n=32a=4800

4、m2=15625n2=2916   m=125n=54a=13500

5、 m2=81   n2=16         M=9n=4a=72

......

每一行的mn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abc,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abc的方法是,先任意取两个正整数mn,不妨使m大于n,算出a=2mnb=m2 —n2c=m2+n2,就可以得到一组勾股数abc。如取m=50n=27,就可以得到a=2700b=1771c=3229,而(270017713229)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={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+}.古泥板上最后一行的勾股数(9056106)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=9n=5时,a=2×9×5=90b=92-52=56c=92+52=106,可见,(9056106G0。由此可见,勾股数集G0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(163034)是取m=5n=3的勾股数;(188082)是取m=9n=1时的勾股数;(12632130)是取m=9n=7时的勾数;即(163034G0188082G012632130G0

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 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(182430)就不存在mn,使a=2mn=18b=m2 - n2=24c=m2+n2=30,或使a=2mn=24b=m2-n2=18c=m2+n2=30即(182430G0。又如(425670G0154528550G0,(7296120G0

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(604575G0。而(604575)的公因式是15。这样类型的勾股数也是大量存在的,如(91215G0,(212835G0,(13255143G0,(8263105G0,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(273645)就属于勾股数集G0,因为取m=6n=3时,就可得到a=2mn=263=36b=m2-n2=62-32=27c=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={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+}

={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=p2,pz+}{(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=2p2,pz+}。

分为三类即是

G0={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+}

={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=1}{(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=p2,p≠1pz+}{(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=2p2,pz+}。

如果设

G01={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=1},

G02={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=p2,p≠1pz+},

G03={(abca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(abc=2p2,pz+},

那么分为三类就可以简写为G0=G01G02G03。这里的G01G0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=G01G02G03简写成G0=G01P2G012P2G01

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G1G1={(tatbtca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(tatbtc=t,tz+t≠p2、t≠2p2、pz+}。

勾股数集G1也可进行划分,可以划分成两个子集G11G12,即G1=G11G12其中

G11={(tatbtca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(tatbtc=t=2k+1,kz+t≠p2、pz+},

G12={(tatbtca=2mnb=m2 - n2c=m2+n2m>nmz+nz+,(tatbtc=t=2k,kz+k≠p2、k≠2p2、pz+},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G0G1,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=G01G02G03G11G12

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={(abca=2tmnb=tm2 - n2c=tm2+n2m>nmz+nz+、tz+}。

G0中的每一组勾股数是由两个正整数mn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mnt(t≠1)确定的,是三维的,可以叫做立体勾股数。有趣的是G02G03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(243324405),属于G02的勾股数;一类是象(84112130),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。

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