52=32+42
132=52+122
172=82+152
292=202+212
372=122+352
412=92+402
532=282+452
612=112+602
732=482+552
892=392+802
972=652+722
1012=202+992
1092=602+912
1132=152+1122
1372=882+1052
1492=512+1402
1572=852+1322
1732=522+1652
1812=192+1802
1932=952+1682
1972=282+1952
2292=602+2212
2332=1052+2082
2412=1202+2092
2572=322+2552
2692=692+2602
2772=1152+2522
2812=1602+2312
2932=682+2852
3132=252+3122
3172=752+3082
3372=1752+2882
3492=1802+2992
3532=2252+2722
3732=2522+2752
3892=1892+3402
3972=2282+3252
4012=402+3992
4092=1202+3912
4212=292+4202
4332=1452+4082
4492=2802+3512
4572=1682+4252
4612=2612+3802
5092=2202+4592
5212=2792+4402
5412=3412+4202
5572=1652+5322
5692=2312+5202
5772=482+5752
5932=3682+4652
6012=2402+5512
6132=352+6122
6172=1052+6082
6412=2002+6092
6532=3152+5722
6612=3002+5892
6732=3852+5522
6772=522+6752
7012=2602+6512
7092=2592+6602
7332=1082+7252
7572=4682+5952
7612=392+7602
7692=4812+6002
7732=1952+7482
7972=5552+5722
8092=2802+7592
8212=4292+7002
8292=5402+6292
8532=2052+8282
8572=2322+8252
8772=3482+8052
8812=3692+8002
9292=1292+9202
9372=2152+9122
9412=5802+7412
9532=6152+7282
9772=2482+9452
9972=3722+9252
10092=5592+8402
10132=452+10122
10212=6602+7792
10332=1922+10152
10492=3202+9992
10612=6202+8612
10692=7312+7802
10932=1322+10852
10972=5852+9282
11092=1412+11002
11172=2352+10922
11292=3292+10802
11532=5282+10252
11812=3402+11312
11932=8322+8552
12012=492+12002
12132=2452+11882
12172=7052+9922
12292=1402+12212
12372=6122+10752
12492=7992+9602
12772=7482+10352
12892=5602+11612
12972=722+12952
13012=512+13002
13212=3602+12712
13612=5612+12402
13732=1482+13652
13812=9312+10202
14092=1592+14002
14292=3712+13802
14332=5922+13052
14532=2282+14352
14812=9692+11202
14892=6892+13202
14932=5322+13952
15492=9012+12602
15532=4952+14722
15972=7152+14282
16012=802+15992
16092=2402+15912
16132=9882+12752
16212=7802+14212
16372=2852+16122
16572=9352+13682
16692=11402+12192
16932=10452+13322
16972=3282+16652
17092=7412+15402
17212=8802+14792
17332=11552+12922
17412=592+17402
17532=2952+17282
17772=12482+12652
17892=4202+17392
18012=6492+16802
18612=612+18602
18732=3052+18482
18772=11482+14852
18892=13112+13602
19012=5492+18202
19132=6882+17852
19332=10922+15952
19492=8602+17492
19732=9152+17482
19932=10322+17052
19972=3152+19722
20172=7922+18552
20292=1802+20212
20532=14282+14752
20692=8192+19002
20812=12812+16402
20892=7202+19612
21132=652+21122
21292=10712+18402
21372=4552+20882
21412=4602+20912
21532=5852+20722
21612=13202+17112
22132=1882+22052
22212=12602+18292
22372=10122+19952
22692=4692+22202
22732=7522+21452
22812=14402+17692
22932=12352+19322
22972=15752+16722
23092=9402+21092
23332=13652+18922
23412=13802+18912
23572=10052+21322
23772=14952+18482
23812=692+23802
23892=11392+21002
23932=3452+23682
24172=3922+23852
24372=5882+23652
24412=7592+23202
24732=12482+21352
24772=17482+17552
25212=712+25202
25492=7002+24512
25572=16752+19322
25932=16322+20152
26092=18092+18802
26172=4082+25852
26212=11002+23792
26332=10652+24082
26572=15682+21452
26772=3652+26522
26892=5112+26402
26932=17252+20682
27132=3122+26952
27292=5202+26792
27412=14912+23002
27492=9492+25802
27532=7282+26552
27772=10952+25522
27892=17002+22112
27972=14282+24052
28012=19602+20012
28332=17752+22082
28372=5252+27882
28572=16322+23452
28612=19002+21392
28972=9752+27282
29092=10602+27092
29172=1082+29152
29532=12722+26652
29572=12752+26682
29692=2312+29602
30012=20402+22012
30372=11882+27952
30412=4402+30092
30492=10012+28802
30612=6602+29892
30892=8802+29612
31092=13092+28202
31212=792+31202
31372=1122+31352
31692=13202+28812
31812=8692+30602
32092=21202+24092
32172=10082+30552
32212=15402+28292
32292=17712+27002
32532=2282+32452
32572=12322+30152
33012=15012+29402
33132=9122+31852
33292=20792+26002
33612=16802+29112
33732=3482+33552
33892=5802+33392
34132=8122+33152
34332=19752+28082
34492=2492+34402
34572=4152+34322
34612=15392+31002
34692=5812+34202
35172=7082+34452
35292=10792+33602
35332=15082+31952
35412=22912+27002
35572=12452+33322
35812=11802+33812
35932=20252+29682
36132=852+36122
36172=2552+36082
36372=5952+35882
36732=9352+35522
36772=16522+32852
36972=11052+35282
37012=23492+28602
37092=19092+31802
37332=25082+27652
37612=25112+28002
37692=15602+34312
37932=16152+34322
37972=4352+37722
38212=12202+36212
38332=17852+33922
38532=3722+38352
38772=19552+33482
38812=23602+30812
38892=20402+33112
39172=17082+35252
39292=14792+36402
39892=27392+29002
40012=8012+39202
40132=16122+36752
40212=9792+39002
40492=20012+35202
40572=28322+29052
40732=13352+38482
40932=26352+31322
41292=27602+30712
41332=21082+35552
41532=4552+41282
41572=28052+30682
41772=11522+40152
42012=10012+40802
42172=14082+39752
42292=2602+42212
42412=5202+42092
42532=13652+40282
42612=7802+41892
42732=22252+36482
42892=10402+41612
42972=29282+31452
43372=4652+43122
43492=6512+43002
43572=1322+43552
43732=28522+33152
43972=30452+31722
44092=12092+42402
44212=18202+40292
44412=27592+34802
44572=24322+37352
44812=20802+39692
44932=2682+44852
45132=952+45122
45172=2852+45082
45492=23402+39012
45612=26392+37202
45972=12352+44282
46212=28212+36602
46372=23252+40122
46492=6802+45992
46572=16152+43682
46732=9522+45752
47212=32002+34712
47292=6792+46802
47332=19952+42922
47892=12612+46202
47932=17682+44552
48012=31202+36492
48132=24122+41652
48172=14552+45922
48612=13802+46612
48772=25652+41482
48892=26802+40892
49092=4202+48912
49332=27552+40922
49372=32552+37122
49572=19322+45652
49692=22312+44402
49732=29482+40052
49932=29452+40322
50092=34412+36402
50212=15402+47792
50772=8522+50052
50812=18812+47202
51012=1012+51002
51132=5052+50882
51532=31282+40952
51892=23802+46112
51972=35152+38282
52092=7202+51592
52332=10082+51352
52372=19882+48452
52612=26602+45392
52732=37052+37522
52812=19192+49202
52972=22722+47852
53092=3092+53002
53332=2922+53252
53812=30692+44202
53932=11682+52652
54132=25252+47882
54172=15452+51922
54372=35882+40852
54412=28402+46412
54492=17512+51602
54772=1482+54752
55012=7402+54512
55212=29292+46802
55572=13322+53952
55692=23692+50402
55732=11552+54522
55812=31312+46202
56412=6002+56092
56532=26282+50052
56572=17852+53682
56692=27812+49402
56892=12002+55612
56932=19952+53322
57012=22202+52512
57172=36922+43652
57372=5352+57122
57412=40592+40602
57492=7492+57002
58012=7602+57512
58132=32122+48452
58212=21002+54292
58492=33992+47602
58572=13682+56952
58612=39392+43402
58692=18192+55802
58812=24002+53692
58972=16722+56552
59532=5452+59282
59812=9812+59002
60292=15402+58292
60372=26752+54122
60532=16352+58282
60732=18482+57852
60892=28892+53602
61012=37002+48512
61132=40882+45452
61212=20712+57602
61332=10922+60352
61732=5552+61482
61972=38852+48282
62172=31922+53352
62212=12212+61002
62292=43802+44292
62572=6322+62252
62692=35312+51802
62772=9482+62052
63012=39002+49492
63172=42922+46352
63292=30802+55292
63372=37452+51122
63532=43052+46722
63612=31612+55202
63732=26522+57952
63892=3392+63802
63972=5652+63722
64212=33792+54602
64492=11202+63512
64692=14692+63002
64732=27752+58482
64812=14402+63192
65212=17602+62792
65292=19212+62402
65532=38152+53282
65692=20802+62312
65772=6482+65452
65812=32192+57402
66372=8052+65882
66532=10352+65722
66612=16202+64612
66732=12652+65522
66892=27202+61112
67012=42512+51802
67092=39002+54592
67332=4922+67152
67372=47122+48152
67612=30402+60392
67812=44692+51002
67932=21852+64322
68292=46202+50292
68332=24152+63922
68412=33602+59592
68572=5852+68322
68692=8192+68202
69172=41082+55652
69492=24602+64992
69612=32402+61612
69772=31052+62482
69972=39552+57722
70012=45512+53202
70132=27882+64352
70572=1682+70552
70692=41812+57002
71092=26912+65802
71212=10712+70402
71292=43202+56712
71772=18482+69352
71932=17852+69682
72132=29882+65652
72292=3402+72212
72372=42122+58852
72532=37722+61952
72972=42552+59282
73092=48592+54602
73212=1212+73202
73332=6052+73082
73492=41002+60992
73692=20402+70812
73932=29752+67682
74172=31922+66952
74332=18152+72082
74572=40952+62322
74772=15482+73152
74812=27202+69692
74892=52802+53112
75172=18922+72752
75292=43292+61602
75372=49452+56882
75412=25412+71002
75492=30602+69012
75612=36892+66002
75732=3482+75652
75772=6152+75522
75892=8612+75402
76212=25802+71712
76492=15992+74802
76692=17402+74692
76732=46482+61052
76812=42002+64312
77172=54052+55082
77412=35092+69002
77532=5282+77352
77572=32682+70352
77892=49802+59892
77932=12322+76952
78172=3752+78082
78292=28292+73002
78412=46412+63202
78532=11252+77722
78732=13752+77522
78772=30752+72522
79012=44202+65492
79332=42352+67082
79372=7122+79052
79492=54992+57402
Klocki lego, trójkąty pitagorejskie, liczby pierwsze, liczby zespolone
Wstęp
Uwaga - ze względu na użycie MathML tą stronę należy otworzyć Firefox'em!
Pewnego razu mój synek zażyczył sobie abym pomógł mu zbudować „okrągłą” wieżę z klocków lego. Zadanie nieco karkołomne, ale udało mi się mu wytłumaczyć, że taka wieża będzie nieco kanciasta. Aby ułatwić sobie zadanie wymyśliłem że wybiorę promień wieży tak aby przynajmniej kilka klocków wypadło dokładnie na okręgu, taką średnicą może być np.: 5, 10, 13. Na przeciwprostokątnych o takich długościach można zbudować tylko jeden trójkąt pitagorejski, a ja chciałem, żeby było ich więcej. Wymyśliłem sobie, że jeżeli wezmę dwie przeciwprostokątne, na których można zbudować dwa różne trójkąty i je wymnożę, to na takiej przeciwprostokątnej będę mógł zbudować dwa trójkąty pitagorejskie, bo przecież jeżeli wymnożę wszystkie boki trójkąta pitagorejskiego przez liczbę całkowitą to otrzymam trójkąt pitagorejski. Poszukałem więc dwu trójkątów o najkrótszych przeciwprostokątnych (a=3, b=4, c=5 i a=5, b=12, c=13) no i zrobił się problem bo 5*13 = 65. A to jest całkiem spora długość jak na budowlę z klocków lego. Postanowiłem więc napisać program, który znajdzie przeciwprostokątną o mniejszej długości, ale taką na której da się zbudować dwa różne trójkąty prostokątne. Po przetestowaniu go na trójkątach o przeciwprostokątnych 5, 10 i 13 kazałem mu znaleźć trójkąty o przeciwprostokątnej 65. I owszem program znalazł trójkąty: 25;60;65; i 39;52;65; co tylko potwierdziło poprawność działania programu no i moich przemyśleń, ale też znalazł trójkąty: 16;63;65; i 33;56;65; co mnie całkowicie zaskoczyło. Więc szybko chwyciłem za kalkulator i faktycznie: to też są trójkąty pitagorejskie. Więc postanowiłem temat zbadać nieco głębiej i podzielić się wynikami.
Pierwsze wnioski i hipotezy
Skoro już miałem program do wyszukiwania trójkątów pitagorejskich to czemu go nie zmusić przeszukania jakiegoś większego zakresu liczb. Na początek kazałem mu znaleźć wszystkie trójkąty o przeciwprostokątnej do 1 000 000 (jednego miliona). Zajęło to komputerowi około 30 min. Ale aby dalsze moje dywagacje nie były zbyt obszerne zdefiniuję kilka pojęć: W wikipedii można znaleźć definicję "Trójek pitagorejskich". Tamta definicja jest w pełni równoważna podanej przeze mnie, tylko że tamta jest bardziej nakierowana na teorię liczb, przez co traci się istotę problemu.
No bo gdy ktoś kto przeczyta, że trójka pitagorejska to taka trójka liczb całkowitych, że a2+b2=c2 to dlaczego nie np.: a3+b2=c2 albo a2+b2=c3 albo jeszcze coś innego. Wstawiając w tej definicji uporządkowanie przyprostokątnych wycinam trójkąty, które są symetryczne względem spełniających tą definicje.
b a c a -a a -a -a a -a b -b -b
Rysunek obok ilustruje dlaczgo nie warto zajmować się wszystkimi możliwymi trójkątami o proporcjach a:b:c.
Jak widać na rysunku, pozostałe trójkąty można bardzo łatwo narysować wykorzystując symetrie.
Po przeanalizowaniu wyników wyprodukowanych przez program pozwoliłem sobie wysnuć kilka hipotez:
1. Z jedną liczbą pierwszą jest skojarzona co najwyżej jedna para pitagorejska;
2. Z iloczynem dwu różnych Pitagorejskich Liczb Pierwszych (PLP) są skojarzone cztery pary pitagorejskie.
Iloczyn Pitagorejski
Oprócz tych hipotez zastanawiałem się czy mając pary pitagorejskie skojarzone z dwiema PLP (pitagorejskimi liczbami pierwszymi) można wyliczyć te dwie dodatkowe pary. Problem początkowo wydawał się dosyć trudny, bo szkoły pokończyłem już jakiś czas temu, ale rozmyślając o tym problemie uświadomiłem sobie, że już znam takie mnożenie: jest to iloczyn liczb zespolonych. No bo moduł z iloczynu dwu liczb zespolonych jest równy iloczynowi modułów składników.
No dobrze tylko jak się mają te liczby zespolone do trójkąta pitagorejskiego?
Który bok reprezentuje część rzeczywistą, a który urojoną?
a b c h
Wyobraźmy sobie, że mamy trójkąt pitagorejski o bokach a1, b1, c1.
Z pary przyprostokątnych takiego trójkąta możemy zbudować 8 liczb zespolonych (uwzględniając znaki plus i minus), ale długości boków są dodatnie więc będą tylko dwie liczby:
z = a 1 + ib 1
z = b 1 + ia 1
Druga para też może dać dwie liczb czyli wszystkich możliwych iloczynów jest 4. Ale nie musiałem się tym przejmować, w końcu w wyniku mnożenia mam uzyskać parę pitagorejską, a na nią nałożyłem pewne ograniczenia: liczby muszą być dodatnie i uporządkowane rosnąco. Więc:
a w1 = min(abs( a 1 a 2 - b 1 b 2 ) , a 1 b 2 + a 2 b 1 )
b w1 = max(abs( a 1 a 2 - b 1 b 2 ) , a 1 b 2 + a 2 b 1 )
oraz
a w2 = min(abs( b 1 a 2 - a 1 b 2 ) , b 1 b 2 + a 2 a 1 )
b w2 = max(abs( b 1 a 2 - a 1 b 2 ) , b 1 b 2 + a 2 a 1 )
Do wyliczania pierwszej pary przyjąłem że obie liczby są postaci a+ib, a do wyliczania drugiej pary: pierwsza jest postaci b+ia, a druga a+ib. Można zrobić odwrotnie, ale wyniki będą identyczne. Jeżeli dołożyć do tych czterech wzorów, wzory na wynikające z oczywistej oczywistości, że jeżeli każdy bok trójkąta pitagorejskiego zostanie pomnożony przez tę samą liczbę całkowitą to otrzymany trójkąt też jest trójkątem pitagorejskim, to:
a w3 = a 1 c 2
b w3 = b 1 c 2
a w4 = a 2 c 1
b w4 = b 2 c 1
Te osiem równań definiują iloczyn pitagorejski dwu PLP Proszę zauważyć, że iloczyn pitagorejski zwraca nie jedną parę liczb, jak to jest w przypadku iloczynu liczb zespolonych, a listę par. W przypadku dwu różnych PLP jest to lista czteroelementowa, w przypadku kwadratu dwuelementowa.

Przykłady:
Iloczyny pierwszych czterech PLP:
5:(3;4); 13:(5;12); 17:(8;15); 29:(20;21)
Iloczyny dwu PLP:
65=5*13 pary:(16;63)(25;60)(33;56)(39;52)
85=5*17 pary:(13;84)(36;77)(40;75)(51;68)
145=5*29 pary:(17;144)(24;143)(87;116)(100;105)
221=13*17 pary:(21;220)(85;204)(104;195)(140;171)
377=13*29 pary:(135;352)(145;348)(152;345)(260;273)
493=17*29 pary:(132;475)(155;468)(232;435)(340;357)
iloczyny trzech PLP:
1105=5*13*17 pary:(47;1104)(105;1100)(169;1092)(264;1073)(272;1071)(425;1020)(468;1001)(520;975)(561;952)(576;943)(663;884)(700;855)(744;817)
1885=5*13*29 pary:(221;1872)(312;1859)(427;1836)(464;1827)(516;1813)(675;1760)(725;1740)(760;1725)(924;1643)(957;1624)(1003;1596)(1131;1508)(1300;1365)
2465=5*17*29 pary:(289;2448)(377;2436)(408;2431)(660;2375)(775;2340)(784;2337)(897;2296)(1044;2233)(1160;2175)(1407;2024)(1479;1972)(1504;1953)(1700;1785)
6409=13*17*29 pary:(480;6391)(609;6380)(791;6360)(1716;6175)(2015;6084)(2295;5984)(2465;5916)(2584;5865)(3016;5655)(3959;5040)(4060;4959)(4200;4841)(4420;4641)
iloczyn czterech PLP:
32045 = 5*13*17*29: (716;32037) (1363;32016) (2277;31964) (2400;31955) (3045;31900) (3757;31824) (3955;31800) (54901;31668) (5304;31603) (6764;31323) (7259;31212) (7656;31117) (7888;31059) (8283;30956) (8580;30875) (8772;30821) (10075;30420) (10192;30381) (11475;29920) (11661;29848) (12325;29580) (12920;29325) (13572;29029) (15080;28275) (15708;27931) (15916;27813) (16269;27608) (16704;27347) (17051;27132) (17253;27004) (18291;26312) (19227;25636) (19552;25389) (19795;25200) (20300;24795) (21000;24205) (21093;24124) (21576;23693) (22100;23205) (22244;23067)
Szukając odstępstw
Aby sprawdzić czy moje podejrzenia są poprawne postanowiłem napisać program, który będzie robił weryfikację krzyżową:
  1. Brał kolejne liczby całkowite od 5 w górę;
  2. Rozkładał daną liczbę na czynniki pierwsze;
  3. Na podstawie rozkładu wyliczał pary pitagorejskie stosując zasady iloczynu pitagorejskiego;
  4. Stosując metodę „Brute Force” wyszukiwał pary pitagorejskich związanych z daną liczbą.
  5. Porównywał wyniki iloczynu z wynikami wyszukiwania - w poszukiwaniu odstępstw.
Gdy zapuściłem program do skanowania poszczególnych liczb okazało się, że każdy trójkąt pitagorejski albo jest oparty o liczbę pierwszą (czyli długość jego przeciwprostokątnej jest liczbą pierwszą) albo da się przedstawić jako iloczyn liczb pierwszych pitagorejskich i ewentualnie liczb pierwszych nie pitagorejski, ale w rozkładzie na liczby pierwsze zawsze musi być przynajmniej jedna pitagorejska liczba pierwsza. Sprawdziłem to na liczbach do 20milionów. Mógłbym badać to na większych liczbach, ale ilość obliczeń rosła proporcjonalnie do wartości badanej liczby, czas badania się wydłużał, a odstępstw nie było. Więc wymyśliłem sobie, że gdybym znalazł jakąś liczbę pierwszą, którą dałoby się przedstawić w postaci sumy kwadratów dwu liczb całkowitych, traktując te dwie liczby jako liczbę zespoloną, podnosząc ją do kwadratu znalazłbym trójkąt pitagorejski, który mógłby złamać wspomniane wcześniej zasady. I znalazłem mnóstwo takich liczb, np.:
5 = 12+22
13 = 22+32
17 = 12+42
37 = 12+62
53 = 22+72
…..
277= 92+142
Problem w tym, że te wszystkie liczby były Pitagorejskimi Liczbami Pierwszymi.
Zaskakujące spostrzeżenie
Aby to dokładniej sprawdzić, nakazałem komputerowi aby przy okazji wyszukiwania PLP sprawdzał też czy dana PLP da się przedstawić w postaci sumy kwadratów dwu liczb całkowitych. Okazało się, że każda sprawdzana PLP da się przedstawić przy pomocy takiej sumy. Na podstawie powyższych testów pozwoliłem sobie sformułować następującą hipotezę:
Każda Pitagorejska Liczba Pierwsza jest sumą kwadratów dwu liczb całkowitych.
Jeśli powyższa hipoteza byłaby prawdziwa to każda PLP musi być liczbą postaci 4*C +1, gdzie C to liczba całkowita > 0.
Można tego łatwo dowieść:
Prawie każda liczba pierwsza jest liczbą nieparzystą (jest jeden wyjątek) więc musi być sumą liczby parzystej k i nieparzystej l.
Więc:
k = 2m;
l = 2n+1;
gdzie m – to liczba całkowita >0, a n też całkowita >= 0;
Czyli nasza:
PLP = (2m)2+(2n+1)2;
PLP = 4m2 + 4n2+2*2n +1;
PLP = 4(m2+n2+n)+1;
Skoro m i n to liczby całkowite więc m2+n2+n = C– też musi być całkowite.
Więc PLP = 4*C+1 – c.n.d.
Stąd kolejna hipoteza:
Każda liczba pierwsza postaci 4*C+1 gdzie C jest liczbą całkowitą większą od zera jest PLP.
Powyższe dwie hipotezy okazały się Twierdzeniem Fermata- Girarda o sumie dwóch kwadratów.
Oczywiście każdy może zabytać: jak mając te dwie liczby, których suma kwadratów daje PLP da się wyliczyć parę pitagorejską powiązaną z daną PLP.
I znów rozwiązanie problemu okazały się liczby zespolone. Okazuje się, że para pitagorejska jest kwadratem liczby zespolonej zbudowanej z tych dwu liczb.
Dlatego też dwie liczby nazwałem pierwiastkiem pary pitagorejskiej w skrócie PPP. Jak z takiego pierwiastak wyliczyć boki trójkąta pitagorejskiego można zapoznać przeglądając artykuł o Trójkach pitagorejskich.
Ja tylko podam gotowe wzory:
a = abs(m2-n2);
b = 2mn;
c = m2 + n2;
Chciałby tutaj dodać jeszcze taką uwagę, że faktycznie przy pomocy powyższych wzorów nie da się wyliczyć wszystkich trójkątów pitagorejskich np:
(9, 12, 15) (PLP=3*5)
(35, 21, 28) (PL=7*5)
(56, 105, 119) (PLP=7*17)
Ciekawostką może wydawać fakt, że spośród czterech trójkątów powstałych w wyniku iloczynu pitagorejskiego dwu różnych PLP dwa dadzą się wyliczyć podanymi wzorami, a dwa nie, np PLP = 65 (5*13):
(16, 63, 65) - dla m=1; n=8
(25, 60, 65) - ten się nie da
(33, 56, 65) - dla m=4; n=7;
(39, 52, 65) - ten się nie da
Wynika to z dwu faktów:
Trójkąt ma trzy stopnie swobody, przy czym ponieważ jest to trójkąt prostokątny to jeden stopień jest taki "beznogi";
Te dwie liczby (m, n) to pierwiastek kwadratowy z pary pitagorejskiej potraktowanej jako liczba zespolona;
Do tych formuł wystarczy dołożyć jeszcze jeden parametr k i już dadzą się wyliczyć wszystkie trójkąty:
a = k*abs(m2-n2);
b = k*2mn;
c = k*(m2 + n2);
Gdzie k to liczba całkowita oznaczająca poprostu powiększenie lub jak kto woli przeskalowanie.
Kilka ciekawostek
Skoro każda PLP jest postaci 4C+1 to prawdziwe jest twierdzenie:
W każdej parze liczb bliźniaczych dokładnie jedna z nich jest PLP.
Już chciałem zacząć przekonywać komputer aby sprawdził za mnie powyższe spostrzeżenie, gdy sobie uświadomiłem, że co druga liczba nieparzysta jest postaci 4*C+1 np.:
3 = 2*1+1
5 = 2*2+1 = 4*1 +1
7 = 3*2+1
9 = 2*4+1 = 4*2 +1
11=2*5+1
13=2*6+1 = 4*3+1
A jak już wcześniej wspomniałem prawie wszystkie liczby pierwsze są nieparzyste, a liczby bliźniacze to dwie kolejne liczby nieparzyste, z tego prosty wniosek, że jedna z nich musi być typu 4C+1, a więc i PLP.
W każdej parze pitagorejskiej przynajmniej jedna liczba jest podzielna przez 3.
Napisałem tu, że "przynajniej jedna" dlatego, że gdy pomnoży się wszystkie boki trójkąta przez 3 lub wielkrotność 3 to obie liczby z pary pitagorejskiej będą podzielne przez 3. Udowodnienie powyższej tezy nie jest jakoś specjalnie trudne aczkolwiek wymaga trochę wysiłku, skorzystam tutaj z formuł na wyliczenie boków trójkąta pitagorejskiego:
{ a = abs( m 2 - n 2 ) b = 2 m n c = m 2 + n 2
Z powyższych formuła istotne są tylko te na wyliczenie boków a i b oraz bez "abs":
{ a = m 2 - n 2 b = 2 m n
Teraz aby udowodnić zakładaną tezę powiążę wartość liczb m i n z podzielnością przez 3.
{ m = 3 k + r m n = 3 l + r n
gdzie liczby k i l to liczby całkowite większe lub równe 0, a rm i rn to reszta z dzielenia przez 3 czyli rm i rn mogą przybierać wartości 0 lub 1 lub 2.
Dla udowodnienia naszej tezy istotne są tylko te reszty.
Mamy tutaj tylko trzy istotne przypadki:
  1. Jedna z tych reszt (rm lub rn) lub obie są równe 0 wtedy:
    b = 2(3k+rm)*( 3l+rn)
    Załóżmy, że rm=0 wtedy b = 2(3k+0)*( 3l+rn), czyli b=2*3*k*( 3l+rn).
    Jak widać b musi być podzielne przez 3, podobne rozumowanie można przeprowadzić dla rn =0 lub obu naraz.
  2. Obie reszty są sobie równe: rm i rn =r wtedy:
    a = m2 - n2 =(3k+r)2-(3l+r)2
    pomijając nawiasy otrzymujemy:
    a=9*k2 + 6kr + r2 - 9*l2 - 6lr - r2 - jak widać r2 się redukuje, a 3 można wyłączyć przed nawias:
    a=3*(3*k2+2kr-3*l2-2*lr) - więc a musi być podzielne przez 3
  3. Obie reszty są większe od zera i na dodatek są różne od siebie rmrn.
    Prawdę powiedziawszy mamy tu tylko dwa przypadki, a w zasadzie jeden bo oba są sobie równoważne:
    rm = 1, rn = 2 lub rm = 2, rn = 1
    Przyjmijmy, że: rm = 1, rn = 2, podstawiając do formuły na a otrzymujemy:
    a=9*k2+6kr+1-9*l2-6lr-4
    Po uporządkowaniu równania otrzymujemy:
    a=9*k2+6kr-9*l2-6lr-3 - widać, że 3 można wyłączyć przed nawias:
    a=3*(3*k2+2kr-3*l2-2lr-1) –czyli a jest podzielne przez 3
I w ten sposób wykazałem, że w każdym przypadku przynajmniej jedna liczba z pary pitagorejskiej jest podzielna przez 3.
Znalazłem dowód tego twierdzenia., jest po polsku, tylko że niestety jest to tłumaczenie automatyczne i ciężko je zrozumieć. Ale to było kiedyś teraz znacząco się poprawiło.
Ale najpierw je przytoczę za wikipedią:
Każda liczba pierwsza dająca resztę 1 w dzieleniu przez 4 jest sumą kwadratów dwóch liczb całkowitych.
Lekko podstroje to twierdzenie aby uwypuklić coś ciekawego:
Każda liczba pierwsza dająca resztę 1 w dzieleniu przez 4 jest sumą kwadratów PARY (dwóch) liczb całkowitych. Ta para jest zawsze dokłanie jedna.
I to, że ta para jest zawsze dokładnie jedna wydaje mi się bardzo ciekawe, bo jeżeli weźmiemy liczby złożone będące iloczynem dwu lub więcej różnych liczb pierwszych i będące postaci 4C+1 to:
  • - nie dadzą się wyrazić sumą kwadratów dwu liczb np.
    •   3 *   7= 4 *  5+1=21
    •   3 * 11= 4 *  8+1=33
    •   7 * 11= 4 *19+1=77
    • 11 * 19= 4 *52+1=209
  • - dadzą się przedstawić więcej niż jedną sumą;
Prawdę powiedziawszy, jeśli chodzi o liczby typu 4C+1 to są dwie kategorie liczb, które da się przedstawić w jeden jedyny sposób: liczby pierwsze (PLP) oraz ich kwadraty.
Magia liczby 2
Liczba 2 to dosyć dziwna liczba bo:
  • jest to pierwsza liczba pierwsza;
  • jest to jedyna parzysta liczba pierwsza;
Każdy pamięta ze szkoły, że 1+1=2, dla każdego oczywistą oczywistością będzie stwierdzenie, że 12+12=2. I w zasadzie można by uznać, że się mądrze gdyby nie fakt, że mod(1+i1)=2, a to jest właśnie 12+12=2, i ma to swoje konsekwencje, bo się okazuje, że liczby PLP pomnożone przez 2 (żadna inna nie PLP na to nie pozwala) dają się przedstawić w postaci sumy kwadratów dwu liczb całkowitych (czyli PPP - pierwiastek pary pitagorejskiej), np:
  • 2 *   5 = 10 = 12 + 32
  • 2 * 13 = 26 = 12 + 52
  • 2 * 17 = 34 = 32 + 52
  • 2 * 29 = 58 = 32 + 72
  • 2 * 37 = 74 = 52 + 72
  • ................
I wcale nie jest to podwojony PPP (pierwiastek pary pitagorejskiej) związany z daną PLP, przykład:
  5=12+22 : 10 = 12 + 32
13=22+32 : 26 = 12 + 52
17=12+42 : 34 = 32 + 52
29=22+52 : 58 = 32 + 72
37=12+62 : 74 = 52 + 72
Wyliczenie tego pierwiastka pary pitagorejskiej na podstawie PPP związanego z daną PLP jest dosyć proste jeśli się zauważy, że jest to iloczyn: (a+ib)(1+i)
czyli:
  • an=abs(a-b);
  • bn=a+b;
Jak widać nawet tak banalna formuła: 12+12=2 ma swoje dosyć nieoczekiwane konsekwencje.
Czy 2n może być liczbą pitagorejską?
Aby odpowiedzieć na postawione powyżej pytanie należy zdać sobie sprawę, że dla każdego naturalnego "n" liczba 2n jest liczbą podzielną przez 2. Jeśli n będzie dużą liczbą albo przynajmniej większą od 3 to także 2n-1, 22n, 22n-1, 22n-2 będą liczbami podzielnymi przez 2. Aby sprawdzić czy jest możliwe aby 2n było liczbą pitagorejską zakładam, że mam takie dwie liczby a i b że:
a2+b2=(2n)2
Pomijając nawias otrzymuję:
a2+b2=22n
Aby suma była podzielna przez dwa to oba jej składniki powinny być parzyste lub nieparzyste. Na początek przyjmijmy, że a i b są nieparzyste:
a=2k+1
b=2l+1
Gdzie k i l to liczby całkowite większe od 0.
Podstawiając do wzoru na 22n:
22n=(2k+1)2+(2l+1)2
Pomijając nawiasy:
22n=4k2+4k+1+4l2+4l+1
Po uporządkowaniu:
22n=4k2+4l2+4k+4l+2
Wyłączam 2 przed nawias:
22n=2(2k2+2l2+2k+2l+1)
Obie strony dzielę przez 2:
22n-1=2k2+2l2+2k+2l+1
Jak wspomniałem na początku tego akapitu 22n-1 jest liczbą parzystą czyli liczbą podzielną przez 2, natomiast 2k2+2l2+2k+2l+1 w sposób ewidentny w dzieleniu przez 2 da resztę, z tego wniosek: a i b nie mogą być liczbami nieparzystymi.
Skoro a i b nie mogą być nieparzyste, to może dla parzystych będzie lepiej:
a=2k
b=2l
Podstawiając do wzoru na 22n:
22n=(2k)2+(2l)2
Pomijając nawiasy:
22n=4k2+4l2
Jak widać obie strony dzielą się przez 4, więc:
2(2n-2)=k2+l2
Na podstawie wcześniejszych rozważań o nieparzystych a i b wiemy, że k i l musi być parzyte, czyli podzielne przez 2. Więc podstawiając pod a i b znów otrzymamy wyrażenie podzielne przez 4 i tak dalej, aż dojdziemy do niskich potęg dwójki (21, 22, 23, 24), o których wiemy, że nie są liczbami pitagorejskimi.
Z tego wniosek:
Dla dowolnie dużego "n" należącego do liczb naturalnych, liczba 2n nie jest liczbą pitagorejską.