分數數列與勾股數
賴昱 維
摘要 : 史帝費爾曾將一個帶分數數列轉換成假分數數列, 使假分數中分母與分子各 等於勾與股, 由此產生畢達哥拉斯勾股數家族; 奧撒南也以類似的方法, 由另一個帶 分數數列產生柏拉圖勾股數家族。 本研究則以分子與分母成等差的最簡真分數數列 產生歐幾里得勾股數家族。
關鍵詞 : 勾股數、 分數數列、 等差。
緒 論
勾股數又名商高數或畢氏三元數, 也就是符合畢氏定理 (a 2 + b 2 = c 2 ) 的整數解 [a, b, c]。
許多學者曾經研究勾股數的生成公式, 其中以畢達哥拉斯 (Pythagoras)、 柏拉圖 (Plato) 和 歐 幾里得 (Euclid) 等為最重要 (蔡聰明, 2010)。 在 1544 年, 史帝費爾 (Michael Stifel) 首先 將 一個帶分數數列轉換成假分數數列, 再使假分數中分母與分子各等於勾與股, 由此產生了畢 達哥拉斯勾股數家族 (the Pythagoras family) (Wikipedia, the free encyclopedia, 2014);
在 1844 年, 奧撒南 (Jacques Ozanam) 也以類似的方法, 由另一個帶分數數列產生柏拉圖勾 股 數家族 (the Plato family) (Ozanam, Jacques, 1844)。 因此, 我猜想 「由分數數列可以產 生歐幾里得勾股數家族 (the Euclid family) 」。 本研究嘗試以分子與分母成等差的最簡真分數 數列來證明我的猜想。
預備知識
以整數數列產生勾股數家族
不同的整數數列可產生不同的勾股數家族 [a n , b n , c n ] (蔡聰明, 2010) (表 1) :
(1) 畢達哥拉斯以整數數列 hni, ∀ n ∈ N, 由 [2n+1, 2n 2 +2n, 2n 2 +2n+1] 產生 [a n , b n , c n ]。
(2) 柏拉圖以整數數列 hni, ∀ n ∈ N,n > 1, 由 [n 2 − 1, 2n, n 2 + 1] 產生 [a n , b n , c n ]。
(3) 歐幾里得以整數數列 hui 與 hvi, ∀ u, v ∈ N, u > v, (u, v) = 1, u, v一為奇數, 一為偶 數, 由 [u 2 − v 2 , 2uv, u 2 + v 2 ] 產生 [a n , b n , c n ]。
75
表
1: 以不同的數列產生不同的勾股數家族 (n ∈ N )。勾股數家族 數列→勾股數家族 例子
畢達哥拉斯 hni → [an, bn, cn] n = 1 → [3, 4, 5], n = 2 → [5, 12, 13], n = 3 → [7, 24, 25], · · · 。 柏拉圖 hni → [an, bn, cn] n = 2 → [3, 4, 5], n = 3 → [8, 6, 10], n = 4 → [15, 8, 17], · · · 。
歐幾里得 ( hui
hvi → [an, bn, cn] ( u =2
v = 1 → [3, 4, 5],( u =3
v = 2 → [5, 12, 13],( u =4
v = 1 → [15, 8, 17], · · · 。 史帝費爾 hbn
an
i → [an, bn, cn]
b1
a1 = 113 =43 → [3, 4, 5], ab22 = 225= 125 → [5, 12, 13]
b3
a3 = 337 =247 → [7, 24, 25]
奧撒南 han
bni → [an, bn, cn]
a1
b1 = 178 =158 → [15, 8, 17], ab22 = 21112 =3512 → [35, 12, 37]
a3
b3 = 31516 =6316 → [63, 16, 65]
以分數數列產生勾股數家族
不同的分數數列也可以產生不同的勾股數家族 [a n , b n , c n ] (Ozanam, Jacques, 1844)(表 1):
(1) 史帝費爾以畢達哥拉斯勾股數家族 [a n , b n , c n ] 中的
a n = 2n + 1 b n = 2n 2 + 2n
構 成分數數列 h a bn
n
i, 再由 h a bn
n
i = 2n 2n+12+2n = hn + 2n+1 n i 產生畢達哥拉斯勾股數家族。
(2) 奧撒南先將柏拉圖公式的 n 轉換成 2n + 2:
a n = n 2 − 1 b n = 2n c n = n 2 + 1
n→ 2n+2
−→
a n = (2n + 2) 2 − 1 b n = 2(2n + 2) c n = (2n + 2) 2 + 1
,
再以 [a n , b n , c n ] 中的
a n = (2n + 2) 2 −1 b n = 2(2n + 2)
構成分數數列 h a bn
n
i, 再由 h a bnni = h (2n+2) 2(2n+2)2− 1 i
− 1 i
= h 4n24n+4 +8n+3 i = hn + 4n+3 4n+4 i 產生柏拉圖勾股數家族。
主要結果與證明
分數
(1) 由於歐幾里得勾股數家族中 u 與 v 具有 「∀ u, v ∈ N, u > v, (u, v) = 1, u, v, 一為奇 數, 一為偶數。」 的性質, 所以分數 v
u 既是最簡分數, 也是真分數 (表 2)。
(2) 當 u = n + 1, v = n 時, 歐幾里得勾股數家族轉換成 (a) 畢達哥拉斯勾股數家族和 (b)
史帝 費爾勾股數家族 (the Stifel family)。
表
2: 歐幾里得勾股數家族中 u與 v 所構成分數 v/u。❅u❅❅
v 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 · · · n 2 12
3 23
4 14 34
5 25 45
6 16 56
7 27 47 67
8 18 38 58 78
9 29 49 89
10 101 103 107 109
11 112 114 116 118 1011
12 121 125 127 1112
13 132 134 136 138 1013 1213
14 141 143 145 149 1114 1314
15 152 154 158 1415
16 161 163 165 167 169 1116 1316 1516 17 172 174 176 178 1017 1217 1417 1617
18 181 185 187 1118 1318 1718
19 192 194 196 198 1019 1219 1419 1619 1819
20 201 203 207 209 1120 1320 1720 1920
... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . ..
n+1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... nn+1
(a)
a n = u 2 −v 2 b n = 2uv c n = u 2 +v 2
u = n+1 v = n
−→
a n = (n+1) 2 −n 2 b n = 2n(n+1) c n = (n+1) 2 +n 2
→
a n = 2n+1 b n = 2n 2 +2n c n = 2n 2 +2n+1
(b)
a n = u 2 −v 2 b n = 2uv c n = u 2 +v 2
u = n+1 v = n
−→
a n = (n+1) 2 −n 2 b n = 2n(n+1) c n = (n+1) 2 +n 2
→ b an
n
= (n+1) 2n(n+1)2−n
2 = 2n 2n+12+2n = n+ 2n+1 n
+2n = n+ 2n+1 n
所以, 由 v
u = n
n + 1 得到畢達哥拉斯勾股數家族和史帝費爾勾股數家族 (表 3)。
表
3: 畢達哥拉斯勾股數家族和史帝費爾勾股數家族 (n ∈ N )。n n +2n+1n 2n2n+12+2n u v uv [an, bn, cn]
1 113 43 2 1 12 [3, 4, 5]
2 225 125 3 2 23 [5, 12, 13]
3 337 247 4 3 34 [7, 24, 25]
4 449 409 5 4 45 [9, 40, 41]
... ... ... ... ... ... ...
n n+2n+1n 2n2n+12+2n n + 1 n nn+1 [2n + 1, 2n2+ 2n, 2n2+ 2n + 1]
(3) 當 u = 2n + 2, v = 1 時, 歐幾里得勾股數家族轉換成奧撒南勾股數家族 (the Ozanam family)。
a n = u 2 −v 2 b n = 2uv c n = u 2 +v 2
u = 2n+2 v = 1
−→
a n = (2n+2) 2 −1 2 b n = 2(2n+2) c n = (2n+2) 2 +1 2
→ a bnn= (n 2(2n+2)2+2−1
2) = 4n 4n+4
2+8n+3 = n+ 4n+3 4n+4
+2−1
2) = 4n 4n+4
2+8n+3 = n+ 4n+3 4n+4
所以, 由 v u = 2n+2 1 得到奧撒南勾股數家族 (表 4)。
表
4: 奧撒南勾股數家族 (n ∈ N )。n n +4n+34n+4 4n4n+42+8n+3 u v vu [an, bn, cn]
1 178 158 4 1 14 [15, 8, 17]
2 21112 3512 6 1 16 [35, 12, 37]
3 31516 6316 8 1 18 [63, 12, 65]
4 41920 9920 10 1 101 [99, 20, 101]
... ... ... ... ... ... ...
n n +4n+34n+4 4n4n+42+8n+3 2n + 2 1 2n+21 [4n2+8n+3, 4n+4, 4n2+8n+5]
(4) 當 u = 2n, v = 1 時, 歐幾里得勾股數家族轉換成柏拉圖勾股數家族。
a n = u 2 −v 2 b n = 2uv c n = u 2 +v 2
u = 2n v = 1
−→
a n = (2n) 2 −1 2 b n = 2(2n) c n = (2n) 2 +1 2
→
a n = 4n 2 −1 b n = 4n c n = 4n 2 +1 所以, 由 u v = 2n 1 得到柏拉圖勾股數家族 (表 5)。
表
5: 柏拉圖勾股數家族 (n ∈ N )。n u v vu [an, bn, cn]
1 2 1 12 [3, 4, 5]
2 4 1 14 [15, 8, 17]
3 6 1 16 [35, 12, 37]
4 8 1 18 [63, 12, 65]
... ... ... ... ...
n 2n 1 2n1 [4n2− 1, 4n, 4n2+ 1]
分數數列
以勾股數中的勾與股構成分數中的分母與分子, 或是以歐幾里得勾股數家族中 u 與 v 構 成分數中的分母與分子, 都可以形成不同的分數數列, 再由此產生不同的勾股數家族 (表 6)。
表
6: 由不同的分數數列產生不同的勾股數家族 (n ∈ N )。勾股數家族 分數數列 勾股數
史帝費爾 hbanni = hn +2n+1n i = h2n2n+12+2ni [2n + 1, 2n2+ 2n, 2n2+ 2n + 1]
奧撒南 habnni = hn +4n+34n+4i = h4n24n+4+8n+3i [4n2+ 8n + 3, 4n + 4, 4n2+ 8n + 5]
本研究 hvunni = hnn+1i [2n + 1, 2n2+ 2n, 2n2+ 2n + 1]
本研究 hvunni = h2n+21 i [4n2+ 8n + 3, 4n + 4, 4n2+ 8n + 5]
本研究 huvnni = h2n1 i [4n2− 1, 4n, 4n2+ 1]
調和數列
我由數列 hu n i = h2ni 與 v n = 1 構成調和數列 h v unni = h 2n 1 i, 再由此產生柏拉圖勾股
數家族。 因為數列 hu n i 是等差數列, 公差為 2, 且 v n 為常數, 所以由此延伸成不同的調和數
列 (表 7), 並得到不同的勾股數家族, 但是所得到的 un
n
卻無法涵蓋所有歐幾里得的分數 u (表 2)。
表
7: 由不同的調和數列產生不同的勾股數家族 (k, n ∈ N )。v1 u1
vn
un [a1, b1, c1] [an, bn, cn]
1 2
1
2n [3, 4, 5] [4n2− 1, 4n, 4n2+ 1]
2 3
2
2n+1 [5, 12, 13] [4n2+ 4n − 3, 8n + 4, 4n2+ 4n + 5]
4 5
4
2n+3 [9, 40, 41] [4n2+ 12n − 7, 16n + 24, 4n2+ 12n + 25]
8 9
8
2n+7 [17, 144, 145] [4n2+ 28n − 15, 32n + 112, 4n2+ 28n + 113]
... ... ... ...
2k−1 1+2k−1
2k−1
2n+2k−1−1 [a1, b1, c1](註一) [an, bn, cn](註二) 註一:[a1, b1, c1] = [2k+ 1, 22k−1+ 2k, 22k−1+ 2k+ 1]
註二:[an, bn, cn] = [4n2+ 2k+1n − 4n − 2k+ 1, 2k+1n + 22k−1− 2k, 4n2+ 2k+1n − 4n + 22k−1− 2k+ 1]
等差數列
(1) 數列 hu n i = hn + 1i 與數列 hv n i = hni 構成了的分數數列 h u vn
n
i = h n n +1 i, 再由此分數 數列產生了畢達哥拉斯勾股數家族。 因為數列 hu n i 與 hv n i 都是等差數列, 公差皆為 1, 且 u n− 1 = v n , 所以延伸公差 1 為不同的奇數, 如 3, 5, 7, . . . , d, 得到不同的分子與分母成等 差之最 簡真分數數列: h 3n−2 3n+1 i, h 5n−4 5n+1 i, h 7n−6 7n+1 i, . . ., h 1+(n−1)d 1+nd i, 並由此得到不同的勾股數 家族 (表 8)。 但是, 所得到的 v unn 卻無法涵蓋所有歐幾里得的分數 v u (表 2)。
(2) 因為數列 hu n i = h1 + ndi 與數列 hv n i = h1 + (n − 1)di 的常數為 1, 所以延伸常 數 1 為不同的正整數, 如 2, 3, 4, . . . , k, 得到不同的分子與分母成等差之最簡真分數分數 數列: h 2+(n−1)d 2+nd i, h 3+(n−1)d 3+nd i, h 4+(n−1)d 4+nd i, . . . , h k +(n−1)d k +nd i, 並由此得到不同的勾股數家族 (表 8)。 分數數列 h v unni = h k +(n−1)d k +nd i 涵蓋了所有歐幾里得的分數 v u (表 2)。
遞迴關係式
(1) 分子與分母成等差 d 的最簡真分數數列 h v un
n
i, 如 u n = k + nd 與 v n = k + (n − 1)d, 皆 具有 u n = v n + d, u n− 1 = v n 的特性。
(2) ∀ d, k, n, u n , v n ∈ N, n > 1, (u n , v n ) = 1, v 1 = k, u n = v n + d, u n− 1 = v n , d 為奇 數, 存在遞迴關係式: v n
u n = 1 2 − v n− 1
u n− 1
表
8: 由分子與分母成等差的最簡真分數數列產生不同的勾股數家族 (d, k, n ∈ N , d 為奇數)。v1 u1
vn
un [a1, b1, c1] [an, bn, cn]
1 2
n
n+1 [3, 4, 5] [2n + 1, 2n2+ 2n, 2n2+ 2n + 1]
1
4 3n−2
3n+1 [15, 8, 17] [18n − 3, 18n2− 6n − 4, 18n2− 6n + 5]
1
6 5n−4
5n+1 [35,12,37] [50n−15, 50n2−30n−8, 50n2−30n+17]
1
8 7n−6
7n+1 [63, 16, 65] [98n−35, 98n2−70n−12, 98n2−70n+37]
... ... ... ...
1
1+d 1+(n−1)d
1+nd [d2+ 2d, 2d + 2, d2+ 2d + 2] [an, bn, cn](註三)
2
2+d 2+(n−1)d
2+nd [d2+ 4d, 4d + 8, d2+ 4d + 8] [an, bn, cn](註四)
3
3+d 3+(n−1)d
3+nd [d2+6d, 6d+18, d2+6d+18] [an, bn, cn](註五)
4
4+d 4+(n−1)d
4+nd [d2+8d, 8d+32, d2+8d+32] [an, bn, cn](註六)
... ... ... ...
k k+d
k+(n−1)d
k+nd [d2+ 2kd, 2kd + 2k2, d2+ 2kd + 2k2] [an, bn, cn](註七) 註三:[an, bn, cn] = [2nd2−d2+2d, 2n2d2−2nd2+4nd−2d+2, 2n2d2−2nd2+4nd+d2−2d+2]
註四:[an, bn, cn] = [2nd2−d2+4d, 2n2d2−2nd2+8nd−4d+8, 2n2d2−2nd2+8nd+d2−4d+8]
註五:[an, bn, cn] = [2nd2−d2+6d, 2n2d2−2nd2+12nd−6d+18, 2n2d2−2nd2+12nd+d2−6d+18]
註六:[an, bn, cn] = [2nd2−d2+8d, 2n2d2−2nd2+16nd−8d+32, 2n2d2−2nd2+16nd+d2−8d+32]
註七:[an, bn, cn] = [2nd2−d2+2kd, 2n2d2−2nd2+4knd−2kd+2k2, 2n2d2−2nd2+4knd+d2−2kd+2k2]
證明 :
v n
u n
= v n
v n + d (∵ u n = v n + d)
= u n− 1
u n− 1 + d (∵ u n− 1 = v n )
= 1
1 + u d
n−1
= 1
2 + d−u u n−1
n−1
= 1
2 +
−v
n−1u
n−1(∵ d − u n− 1 = −v n− 1 )
= 1
2 − u vn−1
n−1
表
9: 由最簡真分數數列產生歐幾里得勾股數家族 (d, k, n, un, vn ∈ N , d 為奇數)。v1 u1
vn
un huvnni [an, bn, cn]
1 2
n n+1
1
2,23,34,45, . . . ,nn+1 [3, 4, 5], [5, 12, 13], [7, 24, 25], [9, 40, 41], . . .
1
4 3n−2
3n+1 1
4,47,107,1013, . . . ,3n−23n+1 [15, 8, 17], [33, 56, 65], [51, 140, 149], [69, 260, 269], . . .
... ... ... ...
1
1+d 1+(n−1)d 1+nd
1
1+d,1+2d1+d , . . . ,1+(n−1)d1+nd [a1, b1, c1], [a2, b2, c2], [a3, b3, c3], [a4, b4, c4], . . .(註八)
2 3
n+1 n+2
2
3,34,45,56, . . . ,nn+1+2 [5, 12, 13], [7, 24, 25], [9, 40, 41], [11, 60, 61], . . .
2
5 3n−1
3n+2 2
5,58,118,1114, . . . ,3n−13n+2 [21, 20, 29], [39, 80, 89], [57, 176, 185], [75, 308, 317], . . .
... ... ... ...
2 2+d
2+(n−1)d 2+nd
2
2+d,2+2d2+d , . . . ,2+(n−1)d2+nd [a1, b1, c1], [a2, b2, c2], [a3, b3, c3], [a4, b4, c4], . . .(註九)
3 4
n+2 n+3
3
4,45,56,67, . . . ,nn+2+3 [7, 24, 25], [9, 40, 41], [11, 60, 61], [13, 84, 85], . . .
3
8 5n−2
5n+3 3
8,138,1318,1823, . . . ,5n−25n+3 [55, 48, 73], [105, 208, 233], [155, 468, 493], [205, 828, 853], . . .
... ... ... ...
k k+d
k+(n−1)d k+nd
k
k+d,kk+2d+d, . . . ,k+(n−1)dk+nd [a1, b1, c1], [a2, b2, c2], [a3, b3, c3], [a4, b4, c4], . . .(註十) 註八: 即 [d2+ 2d, 2d + 2, d2+ 2d + 2], [3d2+ 2d, 4d2+ 6d + 2, 5d2+ 6d + 2], [5d2+ 2d, 12d2+ 10d +
2, 13d2+ 10d + 2], [7d2+ 2d, 24d2+ 14d + 2, 25d2+ 14d + 2], . . .
註九: 即 [d2+ 4d, 4d + 8, d2+ 4d + 8], [3d2+ 4d, 4d2+ 12d + 8, 5d2+ 12d + 8], [5d2+ 4d, 12d2+ 20d + 8, 13d2+ 20d + 8], [7d2+ 4d, 24d2+ 28d + 8, 25d2+ 28d + 8], . . .
註十: 即 [d2+ 2kd, 2kd + 2k2, d2+ 2kd + 2k2], [3d2+ 2kd, 4d2+ 6kd + 2k2, 5d2+ 6kd + 2k2], [5d2+ 2kd, 12d2+ 10kd+ 2k2, 13d2+ 10kd+ 2k2], [7d2+ 2kd, 24d2+ 14kd+ 2k2, 25d2+ 14kd+ 2k2], . . .
(3) 利用遞迴關係式 v n
u n
= 1
2 − v n− 1
u n− 1
, 分數數列 h u vnni 中一般項 v unn 皆可由首項 v u1
皆可由首項 v u1
1
求得。
v n
u n
= 1
2 − 1
2 − 1
2 − 1
2 − 1
. ..
2 − 1 2 − v 1
u 1
(4) ∀ u 1 , v 1 ∈ N, u 1 > v 1 , (u 1 , v 1 ) = 1, u 1 , v 1 一為奇數, 一為偶數, 可由首項 v u1
1
利用遞迴
關係式 v n
u n = 1 2 − v n− 1
u n− 1
產生分數數列 h u vn
n
i 的一般項 u vn
n