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定理:周髀算經擊敗了歐幾里德
送交者: 定理 2009年04月11日15:31:46 於 [茗香茶語] 發送悄悄話
定理:在勾股定理上,周髀算經擊敗了歐幾里德 -- 從嚴格的西方學術標準而言 武士過招,用劍; 學者比高低,用理論模型。 如何用理論模型比高低?粗看,一個模型無非一堆句子:定義、假設(誤譯成‘公理’)、定理、推論。但透過這堆句子細看,能辨出美或丑,膚淺或深刻,笨重或優雅。當然,這視乎觀者的眼光和修養(就象欣賞美女時的‘曾見滄海難為水’),但有些比較是很明顯的:給定同一個現象,如果學者A用了比學者B更少和更質樸的定義和假設(B的假設意味着A的假設,而A的假設不一定意味着B的假設),那麼A就打敗了B。 一個好例子,就是《周髀算經》和歐幾里德對勾股定理所各自提出的證明。 先看歐幾里德的證明: 歐幾里德的證明,若要全寫出來,很長。在此只鈎勒如下: A、圖中的粉色正方形的面積=三角形FCB的面積的兩倍; B、三角形FCB的面積=三角形ADB的面積,因為二者全等; C、三角形ADB的面積的兩倍=圖中的粉色長方形的面積。 所以,圖中的粉色正方形的面積=圖中的粉色長方形的面積。 同理,圖中的藍色正方形的面積=圖中的藍色長方形的面積。 D、粉色長方形+藍色長方形=以弦為邊的正方形。這與上兩行結合,於是--- 證畢。 以上的步驟,若要真的成為證明,歐幾里德需要嚴格地假設或定義出: 一、一個正方形的面積的算法(否則他的步驟A通不過); 二、一個任意三角形的面積的算法(否則他的步驟A通不過); 三、兩個任意三角形全等的條件(否則他的步驟B通不過); 四、一個長方形的面積的算法(否則他的步驟C通不過); 五、假設:一個平面圖形的面積=對它作有限分割之後、各部份面積的總和(否則他的步驟D通不過)。 這裡,最麻煩的是要定義一個任意三角形的面積的算法。儘管‘底乘以高除以2’這種算法看上去很直觀,人類要等到最近兩百年,才真正在嚴格意義上懂得甚麼叫一般幾何圖形的‘面積’。 現在轉頭看《周髀算經》的一掌亢龍有悔: 為了清楚,把它的前後各步驟全寫出來: 先玩幾下拼圖: A、取任一直角三角形,放在上圖左上角從左到右數第二個‘朱冪’的位置,叫它甲; B、取同一直角三角形的副件,以其短邊貼着甲的長邊,頂點重合地放在上圖左上角從左到右數第三個‘朱冪’的位置,叫它乙; C、上述兩三角形在‘朱冪’處的兩個角是互補的(這是由A和B推出的),所以在上圖中、用粗線畫出的四邊形的頂點的內角是個直角; D、取同樣步驟,用另外兩個該直角三角形的副件,丙和丁,砌出上圖中、用粗線畫出的整個四邊形,丙居右下方,丁居左下方;而且與C同理可證,此四邊形每個頂點的內角都是直角; E、由於此四邊形每邊都是那直角三角形的弦,此四邊形乃以該弦為邊的正方形; 再作兩個關鍵的圖形重組: F、把乙搬到甲的左上面、圖中左上角‘朱冪’的位置,與甲拼成一豎放的長方形(之所以是長方形,是因為兩三角形相貼的兩內角互補); G、把丙搬到丁的左下面、圖中左下角‘朱冪’的位置,與丙拼成一橫臥的長方形(之所以是長方形,是因為相貼的兩內角互補); 最後,在視角上的作一飛躍: H、以直角三角形的弦為邊的正方形(圖中粗線界定者)=F和G兩步所述的兩個長方形 加上 圖中央的‘黃冪’; I、上述等式的右方=以直角三角形的短邊為邊的正方形 加上 以直角三角形的長邊為邊的正方形; 所以,以弦為邊的正方形的面積=以短邊為邊的正方形的面積+以長邊為邊的正方形的面積, 證畢。 要把以上各步變成一個證明,《周髀算經》只需如下的定義或假設: 一、上列的歐幾里德的條件一(一個正方形的面積的算法); 二、上列的歐幾里德的條件四(一個長方形的面積的算法); 三、上列的歐幾里德的條件五(一個平面圖形的面積=對它作有限分割之後、各部份面積的總和;《周髀算經》在上面的拼圖遊戲,用的就是這一假設;可稱之為‘定理氏所蒸餾出來之拼圖公理’,哈)。 妙就妙在,《周髀算經》根本不須歐幾里德的條件二和三。既不用在任意的兩三角形之間定義甚麼叫全等(當然,在直角三角形中全等的定義還是要的,這在拼接那直角三角形的‘副件’時要用;不過這定義無須歐幾里德的那樣要在任意的兩三角形之間弄‘全等’的假設),更不用涉足一般圖形的面積的算法、這個要用到現代量度理論才能弄得清的泥潭。 所以,為了同樣的收益(勾股定理),歐幾里德付出了五個條件的代價,其中一個(‘面積的算法’)還挺昂貴,而《周髀算經》只用了這五個條件中最不昂貴的三個。 二者高下立見。 故本定理曰:周髀算經 克 歐幾里德 於 勾股定理。 註解一: qhr網友問:從A到E, 你怎麼就能保證四個‘朱冪’就能嚴絲合縫地被砌在‘以該弦為邊的正方形’裡面呢? 定理答:令 X:=那直角三角形的長邊,Y:=那直角三角形的短邊。 從甲和乙的構造,可證‘黃冪’的左邊=X-Y,且‘黃冪’左上頂點的內角是直角。 從乙和丙的構造,可證‘黃冪’的上邊=X-Y,且‘黃冪’右上頂點的內角是直角。 所以,從粗線畫出的正方形的最左端點至丙的長邊的距離=Y+黃冪’的上邊=Y+(X-Y)=X。 所以,丁的長邊正好切合。 (‘砌’‘拼圖’等語,可用在平面上畫輔助線來代替,所以不存在不能‘嚴絲合縫’的問題。我用‘砌’‘拼圖’等語,只是為了語言直觀而已。) 註解二: qhr和崑崙山上一棵草網友,提出另一證法: 做出如圖的輔助線。 首先需用全等三角形定理證明以弦為邊的四邊形是直角。 則以弦為邊的直角四邊形的面積是 (X-Y)(X-Y)+2XY=X^2+Y^2. 定理答: 你們這證明所略去的那部分(‘首先需用全等三角形定理證明以C為邊的四邊形是直角’)與敝帖‘再作兩個關鍵的圖形重組’以前那些段落相同。而你們的運算則比我用了更多的假設,例如代數的各個運算法則。 (《周髀算經》的證明的一個妙處,是不需要從代數上來定義一個數的‘平方’是甚麼,只須定義一條邊所對應的正方形是甚麼。)
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