משפט פיתגורס

Nuvola apps edu mathematics blue-p.svg

בערך זה
נעשה שימוש
בסימנים מוסכמים
מתחום המתמטיקה.
להבהרת הסימנים
ראו סימון מתמטי.

Bewijs stelling van Pythagoras.jpg

משפט פיתגורס הוא משפט מפורסם בגאומטריה, המתאר את היחס בין שלוש צלעותיו של משולש ישר-זווית. המשפט קובע כי "סכום שטחי הריבועים, הבנויים על הניצבים במשולש ישר זווית, שווה לשטח הריבוע הבנוי על היתר" (הניצבים הם שתי צלעות שביניהן כלואה הזווית הישרה, והיתר הוא הצלע הארוכה של המשולש). בניסוח פורמלי: אם אורכי הניצבים במשולש ישר-זווית הם ו-, ואורך היתר הוא , אז: .

המשפט נקרא על שם המתמטיקאי והפילוסוף היווני פיתגורס, שחי במאה ה-6 לפנה"ס, אשר נהוג לייחס לו את ההוכחה הכללית הראשונה של המשפט, אם כי אין ודאות שהוא אכן זה שהוכיחו. המשפט עצמו ללא ההוכחה היה מוכר מזה מאות שנים לפני זמנו של פיתגורס - בבבל, במצרים העתיקה ובסין, אולם המתמטיקאים היוונים היו הראשונים שעמלו למצוא הוכחות לרעיונות מתמטיים.

המשפט ההפוך, הקובע שמשולש שבו ריבוע צלע אחת שווה לסכום ריבועי הצלעות האחרות הוא ישר-זווית, נכון גם הוא. משפט פיתגורס והמשפט ההפוך לו מופיעים כמשפטים האחרונים בכרך הראשון של "יסודות" - ספרו הנודע של אוקלידס. משפט פיתגורס מהווה מקרה פרטי של משפט הקוסינוסים, המופיע אף הוא ב"יסודות" של אוקלידס, המגדיר את היחס של שלוש צלעותיו של כל משולש, בהינתן אורכן של שתיים מצלעותיו וגודל הזווית הכלואה ביניהן.

בתורת המספרים קיימת בעיה מפורסמת הקשורה למשפט פיתגורס, ובה נדרש למצוא משולשים ישרי זווית שאורכי הצלעות שלהם הם מספרים שלמים, כלומר למצוא פתרונות שלמים למשוואה הדיופנטית: . שלשה של מספרים כאלה קרויה שלשה פיתגורית, וידוע שיש אינסוף שלשות מסוג זה. דוגמה לשלשה פיתגורית הם המספרים 3,4,5 שכן הם מקיימים את המשוואה: .

היסטוריה של משפט פיתגורס

את המשפט עצמו הכירו בתרבויות עתיקות זמן רב לפני פיתגורס[1]. בקרב חוקרי ההיסטוריה של המתמטיקה, אין הסכמה לגבי השאלה אם משפט פיתגורס התגלה פעם אחת, ונדד בין התרבויות השונות בעת העתיקה, או שמא התגלה בכמה מקומות באופן עצמאי.

המתמטיקאי ההולנדי ברטל לינדרט ואן-דר-ורדן סבר כי המשפט התגלה בבריטניה הנאוליתית[2] ומשם הופץ הידע על אודותיו למצרים ולמסופוטמיה. בהמשך, הועבר הידע להודו, לסין וליוון. השערה זו מבוססת על גילויים של מבנים פרהיסטוריים באיים הבריטים, הבנויים בזוויות ישרות וצלעות שהיחסים בין אורכיהן הם מספרים שלמים. מבנים אלו מתוארכים למאה ה-25 לפנה"ס.

הוכחה ויזואלית למשפט פיתגורס למשולש (5, 4, 3) כפי שמופיעה בספר "ג'וֹאוּבִּי סְוָּאנְגִ'ינְג", סין
משולש ישר-זווית שאורך הניצבים שלו הוא 1

משפט פיתגורס בתרבויות קדומות

  • מצרים העתיקה
ב פפירוס ברלין 6619, המתוארך לתקופה שבין 2000 לפנה"ס ל-1780 לפנה"ס, והמכיל ידע רב במתמטיקה וברפואה מצויה בעיה[3], שפתרונה מעיד על ידע בפתרון משוואה ממעלה שנייה ועל הכרתן של מספר שלשות פיתגוריות.
לוח החרסית הכתוב בכתב יתדות, "פלימפטון 322", המתוארך לתקופה שבין 1900 לפנה"ס ל-1600 לפנה"ס, מכיל ארבע עמודות וחמש עשרה שורות של מספרים בספרות בבליות. לפי אחת מהפרשנויות, הלוח שימש לחישוב שלשות פיתגוריות או לחישוב ערכיה של פונקציה טריגונומטרית.
  • הודו
ספר הקודש ההודי - "שולבה סוטרא"[5], המתאר בניית מזבחות המיועדים להקרבת קורבנות, אשר מתוארך לתקופה שבין 800 לפנה"ס ל-200 לפנה"ס, מכיל רשימה של שלשות פיתגוריות והוכחה גאומטרית של המשפט עבור משולש ישר-זווית שווה-שוקיים.
בספר "ג'וֹאוּבִּי סְוָּאנְגִ'ינְג" - "המדריך של ג'ואו למדידת צללים" - המתוארך לתקופה שבין 100 לפנה"ס ל-100 לספירה מצויה הוכחה ויזואלית למשפט פיתגורס ("משפט גאוגו" בשמו הסיני) למשולש ישר-זווית שאורכי צלעותיו הן 3, 4 ו-5.
הספר הנחשב לחשוב ביותר בהיסטוריה של המתמטיקה בסין הוא "גְ'יו גָא'נְג סוָּאן שוּ" - "תשעת הפרקים של אמנות המתמטיקה" המכיל 246 בעיות מתחומי חיים שונים האמורות להקיף את הידע הדרוש לפתרון בעיות מתמטיות יום-יומיות. הפרק התשיעי של הספר, ששמו "גוּאַי גוּ" ("בסיס וגובה"), עוסק במשולשים ישרי זווית וכולל יישומים של מה שידוע במערב כמשפט פיתגורס, שלשות פיתגוריות וחפיפת משולשים.
  • יוון
במאה השלישית לפנה"ס נכתב בידי אוקלידס הספר "יסודות", המכיל סיכום מקיף של הידע בגאומטריה ובאריתמטיקה שנצבר עד זמנו של אוקלידס. תרומתו הגדולה הייתה בניסוח השיטתי ובמבנה הלוגי המסודר של המשפטים. הספר נחשב לאחד הספרים החשובים ביותר שנכתבו מאז ומעולם והיה הספר המרכזי ללימוד אריתמטיקה וגאומטריה במשך מאות רבות.
בספר מצויה הוכחה למשפט פיתגורס[7] (ראו בהמשך). ההוכחה כתובה בצורה אקסיומטית ומובנית, והיא ההוכחה העתיקה ביותר למשפט הידועה היום.
לפי הפילוסוף והמתמטיקאי פרוקולוס, שפירש את "יסודות" של אוקלידס כ-700 שנים לאחר כתיבתו, השתמש פיתגורס, שחי במאה השישית לפנה"ס, בשיטות אלגבריות למציאת שלשות פיתגוריות, ואילו אפלטון, שחי בתחילת המאה הרביעית לפנה"ס, פיתח שיטה למציאת שלשות פיתגוריות המשלבת בין האלגברה לגאומטריה.
על-פי משפט פיתגורס, השורש הריבועי של 2 (הידוע גם כקבוע פיתגורס) הוא אורך האלכסון בריבוע שאורך צלעותיו הוא 1. פיתגורס ותלמידיו ידעו להוכיח ש- הוא מספר אי רציונלי, מה שלפי סברה רווחת היווה מכה קשה לאסכולה הפיתגוראית שהאמינה שהעולם כולו ניתן לתיאור כיחסים בין מספרים טבעיים.