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  • 1 # 使用者3348932079872

    如前面的答案所說,可以證明:

    矩形面積=單位正方形面積*矩形長*矩形寬

    只要要求面積具有一些自然的性質,比如平移不變性+(有限)可加性+非負性。

    (以及矩形和其它的一些圖形的面積存在)

    證明大意是這樣的:如果矩形長寬都是有理數,可以用簡單地把若干個矩形拼接,再把若干個單位正方形也拼接在一起,指出兩者相同,來證明這一點。如果是無理數,則要先把它放縮成有理數,再用有理數逼近它來證明。這樣得到了一般實數的證明。

    但是我要說的是另一件事:勾股定理可以繞開面積法證明嗎?

    (這裡採用初中平面幾何的邏輯體系,雖然可能不夠嚴密,而不是把平面幾何定義為二維實內積空間中的幾何)

    要知道,我們標準初中課本上的證明,比如弦圖,或者《原本)的證法,都是用了面積法。

    一個比較好的候選的非面積證法,是用相似三角形的證法。考慮直角三角形ABC,角A是直角。做BC邊上的高AD。那麼用相似三角形的判別法,三角形ABC,DBA,DAC相似。於是我們有

    和 (這兩個公式稱為射影定理),相加就得到 ,即是勾股定理。

    然而,在證明過程中,我們用到了相似三角形的判定定理。然而,相似三角形的判定定理,依賴於“平行線分線段成比例定理”:

    如圖,三條水平線兩兩平行,兩條直線分別交三條平行線於A,B,C和D,E,F,則

    如果AB=BC,則可以用全等三角形證明DE=EF,此時就是“平行線等分線段定理”。“分線段成比例定理”中,如果成的比例是有理數,當然可以新增更多的平行線使它們等分線段,再用“等分線段定理”證明;如果是無理數的話則不能直接這樣做。更早一點版本的課本有“分線段成比例定理”的證明,還是面積法:

    這樣看起來,我們的證明又回到了原點;這個勾股定理的證法,還是面積法,只不過面積的應用隱藏很深,非仔細分析無法發現。

    然而,其實我們完全可以用“有理數逼近無理數”的做法,用“等分定理”證明“成比例定理”,而不借助面積。我們可以用“等分定理”(它可以用全等證明)容易地證明,如果一個整數之比(有理數)小於 ,那麼它一定也小於 ,反之亦然。這樣根據實數的完備性,就知道兩者相等。用非面積法證明了“分線段成比例定理”之後,就可以順著下來,不用面積法來證明相似三角形的判定定理和勾股定理。

    總而言之,勾股定理是可以不用面積法證明的,但是一定要用“有理數逼近一般實數”的手法,用到實數的完備性。這種做法顯然是不可能給中學生講清楚的,只能用(未嚴格定義也沒有證明過的,但是直覺上很好理解和接受的)面積法來“投機取巧”。“矩形的面積等於長乘寬”,本身就需要用“有理數逼近實數”來證明,所以這個結論蘊含了這種“逼近”手法,也就可以代替“逼近”法的證明。

    如果對兩千多年的的古人解決這個問題的方法感興趣,可以參考《幾何原本》的比例一章。當然如果是為了學數學,就不需要看古人的東西了,可以參考數學分析中的實數章節。

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