兩個高中生發(fā)現(xiàn)的勾股定理新證明，現(xiàn)在論文來了。
而且就在剛剛，數(shù)學大神陶哲軒在看完這篇論文之后評價道：
前幾年聽說這個消息時候，還沒有任何實質(zhì)性的細節(jié)證明。
但現(xiàn)在，（在一些限制條件下）她們確實發(fā)現(xiàn)了至少五個新證明，而且跟任何已有的證明都不相同。
這兩位高中生分別是 Ne’Kiya Jackson 和 Calcea Johnson。
她們在 2022 年發(fā)現(xiàn)勾股定理新證明的時候，正就讀于美國新奧爾良的圣瑪麗學院（St. Mary’s Academy）。
勾股定理想必大家都已經(jīng)非常熟悉了，包括那句耳熟能詳?shù)?strong>“勾三股四弦五”，以及它的基本公式 a2+b2=c2。
雖然這個定理已經(jīng)有 2500 多年的歷史，但毫不夸張地說，它的重要性依然貫穿于現(xiàn)代數(shù)學之中。
當時她們二人提出新證明時，可以說是在圈內(nèi)引起了不小的轟動。因為長期以來，數(shù)學家們基本上都采用代數(shù)和幾何的方法來證明這個定理。
但她們采用的卻是三角學（Trigonometry，基于對角度及邊長之間關系的直接推導）這個數(shù)學分支來做證明。
這是特別具有挑戰(zhàn)性的一件事情。因為三角學在很大程度上就是基于勾股定理，大多數(shù)情況下就會導致所謂的“循環(huán)論證”（circular reasoning），即證明過程中偷用了待證的結(jié)果。
早在 1927 年，數(shù)學家 Elisha Loomis 就曾斷言道：
使用三角學的規(guī)則無法完成對勾股定理的證明。
然而，就是這么一個看似“不可能”的方法，卻被兩位高中生給突破了。
要知道，當時跟她倆采用類似方法做過證明的，只有 2 位專業(yè)的數(shù)學家 ——Jason Zimba 和 Nuno Luzia，分別于 2009 年和 2015 年提出。
而現(xiàn)如今，二人正式在《美國數(shù)學月刊》公布了論文，把證明過程的細節(jié)內(nèi)容都亮了出來，也得到了陶哲軒的認可。
更重要的是，這篇論文不僅詳細介紹了五種全新的證明方法，她們還提出了一個系統(tǒng)性的方法，預計能夠生成至少五種額外的新證明。
換言之，五個新證明是保底的，也可以達到十個！
其中，只有一個證明是她們在 2023 年 3 月參加學術會議時展示過的，另外九個是全新的。
那么她們二人到底是如何做到，我們繼續(xù)往下看。
三角學證明和三個先決條件
首先，我們來了解她們二人對三角學證明的解釋。
三角學證明是使用三角函數(shù)的性質(zhì)、恒等式和基本定理來證明幾何或代數(shù)命題的方法。
它通常利用三角函數(shù)（如正弦、余弦、正切等）之間的關系，結(jié)合已知的三角恒等式和公式來得出結(jié)論。
實際上，正弦和余弦的三角比率是為一個銳角 α 定義的，通過創(chuàng)建一個直角三角形 ABC，其中 α 是兩個銳角之一，然后比較三條邊中的兩條的長度：
sinα 定義為對邊 BC 與斜邊 AB 的比值，cosα 是鄰邊 AC 與斜邊的比值。
但是，通過測量直角三角形來定義正弦或余弦只對銳角有效，所有其他角度需要一個完全不同的方法。
對于這些角度，她們使用單位圓：
從點 (1, 0) 開始，向逆時針方向（對于負角是順時針方向）沿著圓移動，直到達到所需的中心角 α，最終到達點 (x, y)。然后我們定義 cosα = x 和 sinα = y。
對于一個銳角，這兩種方法給出的正弦或余弦函數(shù)值是相同的，如圖 1 所示：
但只有第一種方法可以合理地被稱為三角學的，第二種方法可能被稱為圓的（cyclotopic）會更恰當一些，如圖 2 所示：
實際上，這兩種方法之間的區(qū)別意味著，通過余弦定理（我們從 c2 = a2 + b2 ? 2abcosγ 開始，讓 γ 成為一個直角）來證明勾股定理是一個圓的證明，而不是一個三角學的：
三角學不能計算一個直角的余弦值，而圓的測量告訴我們 cos (90°) = 0。
同樣，使用 cos (α ? β) 的公式（讓 α = β 在恒等式 cos (α ? β) = cosαcosβ + sinα*sinβ 中）來證明勾股定理也是圓的而不是三角學的，使用 sin (α + β) 的公式也是如此，其中 α 和 β 是互補角。
聲稱一個證明是三角學的也可以基于其他理由被否認。
例如，勾股定理最著名的證明之一使用了相似性 △ ABC ～ △ ACD ～ △ CBD，如圖 3 所示：由于 a / c = x / a 和 b / c = y / b，有 c = x + y = a2/c + b2/c，從而得出 a2 + b2 = c2。
但這個證明可以很容易地被改寫為三角學。
由于 a / c = x / a = sinα，有 x = asinα = (csinα) sinα = csin2α，同樣 y = ccos2α。然后 c = x + y = c (sin2α + cos2α)，從中得出 1 = sin2α + cos2α = (a / c)2 + (b / c)2，因此 a2 + b2 = c2。
但在這里使用三角學術語并沒有增加任何東西 —— 事實上，它只會使相同的方法更加復雜 —— 因此可以說這個證明使用了相似三角形，而不是三角學。
更一般地，任何證明 a2 + b2 = c2 的證明都可以通過將 csinα 寫作 a 和 ccosα 寫作 b（或者通過重新縮放邊 a、b 和 c 到 sinα、cosα 和 1）來改寫為“三角”證明。
首先證明 sin2α + cos2α = 1，之后反向替換 sinα = a / c 和 cosα = b / c 以顯示 a2 + b2 = c2。
這種幻覺顯示需要對一個“三角”勾股定理的證明持懷疑態(tài)度，這種證明以這種迂回的方式工作（即，首先證明恒等式 sin2α + cos2α = 1）以確?！叭菍W”不僅僅是使用正弦和余弦術語對邊長的不必要重述。
為了確保證明勾股定理的過程不依賴于循環(huán)論證，她們二人在論文中提到了三個先決條件（preliminaries）：
角度加法公式：
角度加法公式主要用于三角函數(shù)中的正弦和余弦運算。
對于銳角 α、β 和 α+β，正弦和余弦滿足以下關系：
sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ
cos(α+β)=cosαcosβ?sinαsinβ
這些公式可以確保在不依賴勾股定理的情況下，能夠?qū)φ液陀嘞疫M行直接計算，從而保持證明的嚴謹性和獨立性。
正弦定理
正弦定理被用于分析某些三角形中邊長之間的關系。
正弦定理的核心是描述了三角形各邊的比例關系，當已知兩個角和它們的對邊時，可以確定第三邊的長度。正弦定理表述如下：
這些公式用于接下來的證明中的多個步驟，特別是用于連接和計算不同邊長，以便在已知特定角度的情況下得出邊長關系。
等腰直角三角形的特殊情況
等腰直角三角形中，兩個直角邊相等，這種對稱性簡化了許多計算。這種特殊三角形的邊長關系，直接得出邊長滿足勾股定理：
因此，對于等腰直角三角形，證明過程變得更加簡潔，因為兩邊的平方和直接等于斜邊的平方。
接下來，就到了關鍵的證明部分。
五至十個勾股定理新證明
為了便于閱讀和理解，這部分我們將直接放上證明的原文內(nèi)容（公式著實不太好展示）。
第一個證明
第二個證明
第三個證明
第四個證明
第五個證明
除此之外，論文還對具體方法做了展開介紹。
二人先是提出了一個她們這項研究所要解決的基本問題，即：
我可以用給定的直角三角形 △ ABC 創(chuàng)造出哪些新的直角三角形？
將對新三角形的構造限制在那些角度為 △ ABC 的三個角度 α、β 和 90°（即 α+β）的整數(shù)倍之和或差的三角形上。
由此，這個問題的答案變得直接明了。
引理 1
a) 如果 △ ABC 是一個等腰直角三角形（即 α=β=45°），那么所有角度為 α 和 β 的整數(shù)線性組合的三角形都是等腰直角三角形。
b) 如果在直角三角形 △ ABC 中 α<β，則存在一個直角三角形，其銳角為 2α 和 β?α。此外，對于每一對 {α,β}，2α 和 β?α 是唯一能夠形成直角三角形銳角的 α 和 β 的整數(shù)線性組合。
證明
a) 由于等腰三角形 △ ABC 的三個角度都是 45° 的倍數(shù)，所以任何新三角形的所有角度（這些角度被限制為 △ ABC 的角度之和或差）仍然是 45° 的倍數(shù)，因此我們得到的三角形必定是一個等腰直角三角形。換句話說，如果我們從等腰直角三角形開始，那么無法構造出新的三角形。
b) 現(xiàn)在假設 α<β。如果新構造的直角三角形中的一個銳角為 mα+nβ（其中 m,n∈Z），則其補角為：
90°?(mα+nβ)=(α+β)?(mα+nβ)=(1?m)α+(1?n)β
如果整數(shù) n 和 1?n 都不為零，那么其中一個（假設為 n）是負數(shù)，那么將 n 替換為 ∣n∣我們可以看到其中一個角度是 mα?nβ，其中 m>n>0。
但是當 α 的度數(shù)為 90n/(m+n) 時，其補角 β 的度數(shù)為 90m/(m+n)，這種構造將會產(chǎn)生一個角度 mα?nβ=m?90n/(m+n)?n?90m/(m+n)=0。
這表明我們必須有 n=0，即其中一個銳角度數(shù)是 mα 的某個 m∈N。
如果 m=1，那么我們簡單地恢復了原始三角形 △ ABC。如果 m=2，那么我們得到一個新的直角三角形，其銳角為 2α 和 β?α（注意 2α<90° 因為 α<45°）。
最后，我們看到 m≥3 是不可能的，因為如果 30°≤α<45°，則不會存在這樣的三角形。
我們的引理確切地告訴我們?nèi)绾螌ふ夜垂啥ɡ淼淖C明（對于非等腰直角三角形）：從我們的原始三角形 ABC 開始，我們盡可能多地嘗試創(chuàng)建一個新的直角三角形，其角度測量為 2α、β ? α 和 90°。
例如，創(chuàng)建一個 2α 角度的最簡單方法是結(jié)合兩個 △ ABC 的副本，如圖 13 所示。
這創(chuàng)造了等腰三角形 ABB’，其角度測量為 2α、β 和 β，所以下一步是取其中一個測量為 β 的角度，并將其轉(zhuǎn)換為測量為 β ? α 或 90 度的角度。
為了在頂點 B’處創(chuàng)建一個 90 度的角度，我們構建一個射線，使其與 BB’成 α 角度。如果我們?nèi)缓笱娱L邊 AB 以在點 D 處與射線相交，我們就得到了我們第一個證明的圖形（圖 14）。
或者，如果我們在斜邊 AB 的另一側(cè)創(chuàng)建 2α 角度，并延長 BC 以在點 D 處與新射線相交，如下所示，我們得到了直接導致我們第二個證明的圖形（圖 15）。
而至于另外五種證明方法，感興趣的讀者可以點擊文末鏈接查看詳情哦。
靈感來自一個高中數(shù)學競賽
但除了這次勾股定理的新證明之外，Ne’Kiya Jackson 和 Calcea Johnson 背后的故事也是值得聊一聊。
在這篇論文的致謝部分中，她們也對此做了講述。
事情的起因是二人當年參加的一場高中數(shù)學競賽，其中就有一道加分題：
創(chuàng)建一種新的勾股定理證明方法，獎勵 500 美元。
于是，她們決定各自挑戰(zhàn)這道題目。
然而，這項任務比她們最初預想的要困難得多，二人花費了無數(shù)個不眠之夜，反復嘗試并失敗。經(jīng)過大約一個月的努力，她們分別完成了自己的證明并提交了作業(yè)。
并且她們的數(shù)學老師 Rich 認為證明的方法足夠新穎，值得在數(shù)學會議上展示。
盡管她們對自己的工作并沒有太大的信心，但還是決定嘗試一下。
接下來的兩三個月中，二人把所有空閑時間都投入到完善和打磨她們的工作中。她們既獨立工作也共同合作，不僅在放學后，甚至周末和假期都在繼續(xù)努力。
在此過程中，在 Rich 的指導下，她們創(chuàng)造了更多的證明方法。
盡管她們不確定是否有機會在會議上展示，因為通常只有專業(yè)數(shù)學家或偶爾的大學生能夠在這樣的會議上發(fā)言，但她們的高中作品最終還是受到了重視，并被批準在 2023 年 3 月的美國數(shù)學學會東南分會會議上展示。
Ne’Kiya 和 Calcea 是會議中最年輕的與會者和演講者，雖然她們感到非常緊張，但想到這是她們所有努力的結(jié)晶，也讓她們有了信心去展示。
她們的演講獲得了成功，隨后也受到了美國數(shù)學學會的鼓勵，將其研究成果提交給學術期刊。
這對二人來說是最艱巨的任務，因為她們對撰寫學術論文毫無經(jīng)驗。
當時，她們還在適應大學生活的各種挑戰(zhàn)，比如學習 LaTeX 代碼、完成小組的 5 頁論文、提交實驗數(shù)據(jù)分析等。
但在導師們的指導下，再加上大量的個人努力，她們最終完成了論文的撰寫。
現(xiàn)在回頭看這個過程，Ne’Kiya 和 Calcea 在論文中這樣寫到：
到達這一步對我們來說并不容易，也不是一條直線前進的道路。
我們沒有任何現(xiàn)成的路線圖，也不確定工作是否會得到認可。很多次我們都想放棄，但最終，還是決定堅持到底，完成已經(jīng)開始的事情。
而對于這篇論文，陶哲軒也發(fā)表了自己的想法：
這篇論文提醒了我們，即使是數(shù)學中最古老和最成熟的基礎結(jié)果，有時也可以從一個全新的角度重新審視。
除此之外，目前也有不少的數(shù)學家已經(jīng)加入到了討論中：
完整論文放下面了，感興趣的小伙伴可以閱讀哦~
論文地址：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/00029890.2024.2370240#d1e4959
參考鏈接：
[1]https://mathstodon.xyz/@tao/113391326199704210
[2]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241028132143.htm
本文來自微信公眾號：量子位（ID：QbitAI），作者：金磊，原標題《陶哲軒推薦：2 高中生發(fā)現(xiàn)勾股定理新證明，論文已發(fā) <美國數(shù)學月刊>》
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。