第三章:勾股陣列與單位圓

Lois發表於2020-08-29

我們描述了a^2 + b^2 = c^2的所有整數解a,b,c,如果用c^2除以這個方程得

(\frac{a}{c})^2 + (\frac{b}{c})^2 = 1

所以有理數對(\frac{a}{c},\frac{b}{c})是方程x^2 + y^2 = 1的解
方程x^2 + y^2 = 1代表中心在(0,0)半徑為 1 的圓 C。

如何從集合角度來求圓 C 上 x 座標與 y 座標都是有理數的點

圓上有 4 個明顯的具有有理數座標的點:(1,0),(-1,0),(0,1),(0,-1)
假設我們取任意(有理)數 m,觀察過點(-1,0)斜率為 m 的直線 L ,直線 L 方程:y = m(x + 1),C 與 L 的交集由兩個點組成,其中一個是(-1,0),我們來求另一個。
為求 C 與 L 的交集,需要解關於 x 與 y 的方程組

x^2 + y^2 = 1\\ y = m(x +1)

將第二個方程代入第一個方程並化簡得到

(m^2 + 1)x^2 + 2m^2x + (m^2 - 1) = 0

可用二次方程求根公式求得x。但是,有一種更容易的解方程的方法。由於(-1,0)在 C 與 L 上,所以x = -1必是一個解。因此可用x + 1除以二次多項式來求另一個根。所以,另一個根是方程(m^2 + 1)x + (m^2-1) = 0的解,這意味著

x = \frac{1 - m^2}{1 + m^2}

將 x 的值帶到直線 L 的方程y=m(x+1)來求y座標:

y = m(x +1) = m(\frac{1-m^2}{1+m^2}+1) = \frac{2m}{1 + m^2}

這樣對每個有理數m得到方程x^2 + y^2 = 1的一個有理數解(\frac{1-m^2}{1+m^2},\frac{2m}{1 + m^2})(即圓上所有有理數解的公式)
圓上的有理數公式如何與勾股陣列聯絡起來呢 ?如果將有理數m寫成分數\frac{v}{u},則公式變成

(x,y) = (\frac{u^2-v^2}{u^2-v^2},\frac{2uv}{u^2 + v^2})

消去分母就給出勾股陣列

(a,b,c) = (u^2-v^2,2uv,u^2+v^2)

本作品採用《CC 協議》,轉載必須註明作者和本文連結
Hacking

相關文章