Пифагоровы числа

Удобный и очень точный способ, употребляемый землемерами для проведения на местности перпендикулярных линий, состоит в следующем. Пусть через точку А требуется к прямой MN провести перпендикуляр (рис. 13).

Рис. 13.

Откладывают от А по направлению AM три раза какое-нибудь расстояние а. Затем завязывают на шнуре три узла, расстояния между которыми равны 4а и 5а. Приложив крайние узлы к точкам А и В, натягивают шнур за средний узел. Шнур расположится треугольником, в котором угол А – прямой.

Этот древний способ, по-видимому, применявшийся еще тысячелетия назад строителями египетских пирамид, основан на том, что каждый треугольник, стороны которого относятся, как 3 : 4 : 5, согласно общеизвестной теореме Пифагора, – прямоугольный, так как

3² + 4² = 5².

Кроме чисел 3, 4, 5, существует, как известно, бесчисленное множество целых положительных чисел а, b, с, удовлетворяющих соотношению

a² + b² = c².

Они называются пифагоровыми числами. Согласно теореме Пифагора такие числа могут служить длинами сторон некоторого прямоугольного треугольника; поэтому а и b называют "катетами", а с – "гипотенузой".

Ясно, что если а, b, с есть тройка пифагоровых чисел, то и ра, рb, рс, где р – целочисленный множитель, – пифагоровы числа. Обратно, если пифагоровы числа имеют общий множитель, то на этот общий множитель можно их все сократить, и снова получится тройка пифагоровых чисел. Поэтому будем вначале исследовать лишь тройки взаимно простых пифагоровых чисел (остальные получаются из них умножением на целочисленный множитель р).

Покажем, что в каждой из таких троек а, b, с один из "катетов" должен быть четным, а другой нечетным, Станем рассуждать "от противного". Если оба "катета" а и b четны, то четным будет число a² + b², а значит, и "гипотенуза". Это, однако, противоречит тому, что числа а, b, с не имеют общих множителей, так как три четных числа имеют общий множитель 2. Таким образом, хоть один из "катетов" а, b нечетен.

Остается еще одна возможность: оба "катета" нечетные, а "гипотенуза" четная. Нетрудно доказать, что этого не может быть. В самом деле: если "катеты" имеют вид

2х + 1 и 2y + 1,

то сумма их квадратов равна

,

т. е. представляет собой число, которое при делении на 4 дает в остатке 2. Между тем квадрат всякого четного числа должен делиться на 4 без остатка. Значит, сумма квадратов двух нечетных чисел не может быть квадратом четного числа; иначе говоря, наши три числа – не пифагоровы.

Итак, из "катетов" а, b один четный, а другой нечетный. Поэтому число a² + b² нечетно, а значит, нечетна и "гипотенуза" с.

Предположим, для определенности, что нечетным является "катет" а, а четным b. Из равенства

a² + b² = c²

мы легко получаем:

a² = c² – b² = (c + b)(c – b).

Множители с + b и с – b, стоящие в правой части, взаимно просты. Действительно, если бы эти числа имели общий простой множитель, отличный от единицы, то на этот множитель делились бы и сумма

,

и разность

,

и произведение

,

т. е. числа 2с, 2b и а имели бы общий множитель. Так как а нечетно, то этот множитель отличен от двойки, и потому этот же общий множитель имеют числа а, b, с, чего, однако, не может быть. Полученное противоречие показывает, что числа с + b и с – b взаимно просты.

Но если произведение взаимно простых чисел есть точный квадрат, то каждое из них является квадратом, т. е.

Решив эту систему, найдем:

,

Итак, рассматриваемые пифагоровы числа имеют вид

,

где m и n – некоторые взаимно простые нечетные числа. Читатель легко может убедиться и в обратном: при любых нечетных m и п написанные формулы дают три пифагоровых числа а, b, с.

Вот несколько троек пифагоровых чисел, получаемых при различных т и п:

при т = 3,     n = 1       3² + 4² = 5² при т = 5,     n = 1       5² + 12² = 13² при т = 7,     n = 1       7² + 24² = 25² при т = 9,     n = 1       9² + 40² = 41² при т = 11,   n = 1       11² + 60² = 61² при т = 13,   n = 1       13² + 84² = 85² при т = 5,     n = 3       15² + 8² = 17² при т = 7,     n = 3       21² + 20² = 29² при т = 11,   n = 3       33² + 56² = 65² при т = 13,   n = 3       39² + 80² = 89² при т = 7,     n = 5       35² + 12² = 37² при т = 9,     n = 5       45² + 28² = 53² при т = 11,   n = 5       55² + 48² = 73² при т = 13,   n = 5       65² + 72² = 97² при т = 9,     n = 7       63² + 16² = 65² при т = 11,   n = 7       77² + 36² = 85²

(Все остальные тройки пифагоровых чисел или имеют общие множители, или содержат числа, бóльшие ста.)

Пифагоровы числа обладают вообще рядом любопытных особенностей, которые мы перечисляем далее без доказательств: