主题
Search

双勾股数


双勾股数是指勾股数 (a,b,c) 其中有两个值是连续整数。根据定义,双勾股数因此是本原勾股数。在斜边小于 100 的 16 个本原勾股数中,有 7 个是双勾股数。前几个双勾股数,按 c 递增排序,是 (3, 4, 5), (5, 12, 13), (7, 24, 25), (20, 21, 29), (9, 40, 41), (11, 60, 61), (13, 84, 85), (15, 112, 113), ....

斜边小于 10, 10^2, 10^3, ... 的双勾股数的数量分别是 1, 7, 24, 74, ... (OEIS A101903)。

前几个股-股双勾股数是 (3, 4, 5), (20, 21, 29), (119, 120, 169), (696, 697, 985), ... (OEIS A001652, A046090, 和 A001653)。对于第 r 个这样的数对,存在闭合形式。考虑一般的简化解 (u^2-v^2,2uv,u^2+v^2), 那么要求两条股是连续整数为

 u^2-v^2=2uv+/-1.
(1)

重新排列得到

 (u-v)^2-2v^2=+/-1.
(2)

定义

u=x+y
(3)
v=y
(4)

那么得到 Pell 方程

 x^2-2y^2=1.
(5)

Pell 方程的解由下式给出

x=((1+sqrt(2))^r+(1-sqrt(2))^r)/2
(6)
y=((1+sqrt(2))^r-(1-sqrt(2))^r)/(2sqrt(2)),
(7)

因此,股 X_rY_r 以及斜边 Z_r 的长度为

X_r=u^2-v^2
(8)
=x^2+2xy
(9)
=((sqrt(2)+1)^(2r+1)-(sqrt(2)-1)^(2r+1))/4+1/2(-1)^r
(10)
Y_r=2uv
(11)
=2xy+2y^2
(12)
=((sqrt(2)+1)^(2r+1)-(sqrt(2)-1)^(2r+1))/4-1/2(-1)^r
(13)
Z_r=u^2+v^2
(14)
=x^2+2xy+2y^2
(15)
=((sqrt(2)+1)^(2r+1)+(sqrt(2)-1)^(2r+1))/(2sqrt(2)).
(16)

将最短股的长度表示为 A_r,则得到

A_r=((sqrt(2)+1)^(2r+1)-(sqrt(2)-1)^(2r+1))/4-1/2
(17)
Z_r=((sqrt(2)+1)^(2r+1)+(sqrt(2)-1)^(2r+1))/(2sqrt(2))
(18)

(Beiler 1966, pp. 124-125 和 256-257),这不能被精确求解以给出 r 作为 Z_r 的函数。

然而,可以通过注意到 Z_r 分母中的第二项是一个小数的 1+2r 次方,因此可以忽略不计,从而找到小于给定值 Z_r=N 的股-股双勾股数的近似数量 Delta_2^L(N)=r,剩下

 N=Z_r>((sqrt(2)+1)^(1+2r))/(2sqrt(2))
(19)
 N>(1+2r)ln(sqrt(2)+1)-ln(2sqrt(2)).
(20)

求解 r=Delta_2^L(n) 得到

Delta_2^L(N)<(lnN+ln(2sqrt(2))-ln(sqrt(2)+1))/(2ln(sqrt(2)+1))
(21)
<|_(lnN)/(2ln(1+sqrt(2)))_|
(22)
 approx 0.567lnN.
(23)

前几个股-斜边双勾股数是 (3, 4, 5), (5, 12, 13), (7, 24, 25), (9, 40, 41), (11, 60, 61), (13, 84, 85), ... (OEIS A005408, A046092, 和 A001844)。当满足以下条件时,会出现股-斜边双勾股数 (a,b,c)=(v^2-u^2,2uv,u^2+v^2)

 u^2+v^2=2uv+1
(24)
 (u-v)^2=1,
(25)

也就是说,当 v=u+1 时,斜边比偶数股大 1,并且双勾股数由 (1+2u,2u(1+u),1+2u(1+u)) 给出。因此,斜边 <=N 的股-斜边双勾股数的数量由下式给出

 Delta_2^L(N)=|_1/2(sqrt(2N-1)-1)_|,
(26)

其中 |_x_| 是向下取整函数。前几个值是 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 2, ... (OEIS A095861)。小于 10, 10^2, ... 的股-斜边双勾股数的数量分别是 1, 6, 21, 70, 223, 706, 101904, ... (OEIS A101904)。

因此,小于 N 的双勾股数的总数 Delta_2(N) 近似由下式给出

Delta_2(N)=Delta_2^H(N)+Delta_2^L(N)-1
(27)
 approx |_1/2sqrt(2N-1)+0.567lnN-1.5_|,
(28)

其中减 1 是为了避免重复计算股-股-斜边双重双勾股数 (3,4,5)


参见

勾股数

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Beiler, A. H. "The Eternal Triangle." Ch. 14 in Recreations in the Theory of Numbers: The Queen of Mathematics Entertains. New York: Dover, 1966.Sloane, N. J. A. Sequences A001652/M3074, A001653/M3955, A001844/M3826, A005408/M2400, A046090, A046092, A095861, A101903, A101904 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

在 Wolfram|Alpha 中被引用

双勾股数

引用为

Weisstein, Eric W. “双勾股数。” 来自 MathWorld—— Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/TwinPythagoreanTriple.html

主题分类