Teorema Pythagoras

Dalam matematika, teorema Pythagoeran, juga dikenal sebagai teorema Pythagoras, adalah hubungan mendasar dalam geometri Euclidean di antara tiga sisi segitiga siku-siku. Ini menyatakan bahwa luas kotak yang sisinya adalah sisi miring (sisi yang berlawanan dengan sudut kanan) sama dengan jumlah area kotak di dua sisi lainnya. Teorema ini dapat ditulis sebagai persamaan yang menghubungkan panjang sisi a, b dan c, sering disebut "persamaan Pythagoras":

Teori Pythagoras
Jumlah area dari dua kotak pada kaki (a dan b) sama dengan luas kotak pada sisi miring (c).

$a^{2}+b^{2}=c^{2},$

di mana c mewakili panjang sisi miring dan a dan b panjang dari dua sisi segitiga lainnya. Teorema itu, yang sejarahnya menjadi pokok perdebatan, dinamai untuk pemikir Yunani kuno Pythagoras.

Teorema ini telah diberikan banyak bukti - mungkin yang paling banyak untuk setiap teorema matematika. Mereka sangat beragam, termasuk bukti geometris dan bukti aljabar, dengan beberapa berasal dari ribuan tahun yang lalu. Teorema dapat digeneralisasi dalam berbagai cara, termasuk ruang dimensi tinggi, ke ruang yang bukan Euclidean, ke objek yang bukan segitiga siku-siku, dan memang, untuk objek yang bukan segitiga sama sekali, tetapi padatan n-dimensi. Teorema Pythagoras telah menarik minat di luar matematika sebagai simbol kemustahilan matematika, mistik, atau kekuatan intelektual; referensi populer dalam sastra, drama, musikal, lagu, perangko dan kartun berlimpah.

Bukti penataan ulang

Bukti penataan ulang (klik untuk melihat animasi)

Dua kotak besar yang ditunjukkan pada gambar masing-masing berisi empat segitiga identik, dan satu-satunya perbedaan antara dua kotak besar adalah bahwa segitiga diatur secara berbeda. Oleh karena itu, ruang putih dalam masing-masing dari dua kotak besar harus memiliki luas yang sama. Menyamakan luas ruang putih menghasilkan teorema Pythagoras, Q.E.D.

Heath memberikan bukti ini dalam komentarnya tentang Proposisi I.47 dalam Elemen Euclid, dan menyebutkan proposal Bretschneider dan Hankel bahwa Pythagoras mungkin telah mengetahui bukti ini. Heath sendiri lebih menyukai proposal yang berbeda untuk bukti Pythagoras, tetapi mengakui dari permulaan diskusinya "bahwa literatur Yunani yang kita miliki milik lima abad pertama setelah Pythagoras tidak berisi pernyataan yang menyebutkan hal ini atau penemuan geometrik besar lainnya kepadanya." Beasiswa terbaru telah menimbulkan keraguan yang semakin besar pada segala jenis peran untuk Pythagoras sebagai pencipta matematika, meskipun perdebatan tentang ini terus berlanjut.

Bentuk-bentuk teorema lainnya

Jika c menunjukkan panjang sisi miring dan a dan b menunjukkan panjang dari dua sisi lainnya, teorema Pythagoras dapat dinyatakan sebagai persamaan Pythagoras:

$a^{2}+b^{2}=c^{2}.$

Jika panjang a dan b diketahui, maka c dapat dihitung sebagai

$c={\sqrt {a^{2}+b^{2}}}.$

Jika panjang sisi miring c dan satu sisi (a atau b) diketahui, maka panjang sisi lainnya dapat dihitung sebagai

$a={\sqrt {c^{2}-b^{2}}}$

atau

$b={\sqrt {c^{2}-a^{2}}}.$

Persamaan Pythagoras menghubungkan sisi-sisi segitiga siku-siku dengan cara yang sederhana, sehingga jika panjang kedua sisi diketahui panjang sisi ketiga dapat ditemukan. Akibat wajar lain dari teorema adalah bahwa dalam segitiga siku-siku mana, sisi miring lebih besar daripada salah satu sisi lain, tetapi kurang dari jumlah mereka.

Generalisasi teorema ini adalah hukum cosinus, yang memungkinkan perhitungan panjang setiap sisi dari segitiga apa pun, mengingat panjang dua sisi lainnya dan sudut di antara keduanya. Jika sudut antara sisi lain adalah sudut kanan, hukum cosinus mereduksi menjadi persamaan Pythagoras.

Bukti teorema lainnya

Teorema ini mungkin memiliki bukti lebih dikenal daripada yang lain (hukum timbal balik kuadrat menjadi pesaing lain untuk perbedaan itu); buku The Pythagoras Proposition berisi 370 bukti.

Bukti menggunakan segitiga serupa

Bukti menggunakan segitiga serupa

Bukti ini didasarkan pada Kesebandingan sisi-sisi dari dua segitiga yang sama, yaitu, pada kenyataan bahwa rasio dari setiap dua sisi yang sesuai dari segitiga yang sama adalah sama terlepas dari ukuran segitiga.

Biarkan ABC mewakili segitiga siku-siku, dengan sudut kanan terletak di C, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Gambar ketinggian dari titik C, dan dikatakan H persimpangan dengan sisi AB. Titik H membagi panjang sisi miring c menjadi bagian d dan e. ACH segitiga baru sama dengan segitiga ABC, karena mereka berdua memiliki sudut kanan (menurut definisi ketinggian), dan mereka berbagi sudut pada A, yang berarti bahwa sudut ketiga akan sama di kedua segitiga juga, ditandai sebagai θ pada gambar. Dengan alasan yang sama, segitiga CBH juga mirip dengan ABC. Bukti kesamaan segitiga membutuhkan postulat segitiga: jumlah sudut dalam segitiga adalah dua sudut kanan, dan setara dengan postulat paralel. Kesamaan segitiga menyebabkan rasio kesetaraan dari sisi yang sesuai:

${\frac {BC}{AB}}={\frac {BH}{BC}}{\text{ dan }}{\frac {AC}{AB}}={\frac {AH}{AC}}.$

Hasil pertama menyamakan cosinus dari sudut θ, sedangkan hasil kedua menyamakan sinus mereka.

Rasio ini dapat ditulis sebagai

$BC^{2}=AB\times BH{\text{ dan }}AC^{2}=AB\times AH.$

Menjumlahkan kedua persamaan ini menghasilkan

$BC^{2}+AC^{2}=AB\times BH+AB\times AH=AB\times (AH+BH)=AB^{2},$

yang, setelah penyederhanaan, mengekspresikan teorema Pythagoras:

$BC^{2}+AC^{2}=AB^{2}\ .$

Peran bukti ini dalam sejarah adalah subjek banyak spekulasi. Pertanyaan mendasarnya adalah mengapa Euclid tidak menggunakan bukti ini, tetapi menemukan yang lain. Salah satu dugaan adalah bahwa bukti dari segitiga yang sama melibatkan teori proporsi, topik yang tidak dibahas sampai nanti dalam Elemen, dan bahwa teori proporsi membutuhkan pengembangan lebih lanjut pada waktu itu.

Bukti Euclid

Bukti dalam Elemen Euclid

Secara garis besar, berikut adalah bagaimana bukti dalam Elemen Euclid berasal. Persegi besar dibagi menjadi persegi panjang kiri dan kanan. Sebuah segitiga dibangun yang memiliki setengah luas persegi panjang kiri. Kemudian segitiga lain dibangun yang memiliki setengah luas persegi di sisi paling kiri. Dua segitiga ini terbukti kongruen, membuktikan bahwa persegi ini memiliki area yang sama dengan persegi panjang kiri. Argumen ini diikuti oleh versi yang sama untuk persegi panjang kanan dan persegi yang tersisa. Menempatkan dua persegi panjang bersama-sama untuk mereformasi alun-alun pada sisi miring, luasnya sama dengan jumlah luas dari dua kotak lainnya. Detailnya mengikuti.

Biarkan A, B, C menjadi simpul dari segitiga siku-siku, dengan sudut siku-siku pada A. Letakkan tegak lurus dari A ke sisi yang berlawanan dengan sisi miring dalam persegi pada sisi miring. Garis itu membagi persegi pada sisi miring menjadi dua persegi panjang, masing-masing memiliki luas yang sama dengan salah satu dari dua kotak pada kaki.

Untuk bukti formal, kami membutuhkan empat lemmata dasar:

1. Jika dua segitiga memiliki dua sisi yang satu sama dengan dua sisi yang lain, masing-masing untuk masing-masing, dan sudut yang dimasukkan oleh sisi yang sama, maka segitiga adalah kongruen (sisi-sudut-sisi).
2. Luas segitiga adalah setengah luas dari setiap jajar genjang pada alas yang sama dan memiliki ketinggian yang sama.
3. Luas persegi panjang sama dengan produk dari dua sisi yang berdekatan.
4. Luas kotak sama dengan produk dari dua sisinya (mengikuti dari 3).

Selanjutnya, setiap bujur sangkar terkait dengan kongruen segitiga dengan segitiga lain yang terkait pada gilirannya dengan salah satu dari dua persegi panjang yang membentuk kuadrat bawah.

Ilustrasi termasuk garis baru

Menampilkan dua segitiga kongruen dari setengah luas persegi panjang BDLK dan persegi BAGF

Buktinya adalah sebagai berikut:

1. Biarkan ACB menjadi segitiga siku-siku dengan CAB sudut kanan.
2. Di setiap sisi BC, AB, dan CA, kotak digambar, CBDE, BAGF, dan ACIH, dalam urutan itu. Konstruksi persegi membutuhkan teorema yang mendahului Euclid, dan tergantung pada dalil paralel.
3. Dari A, gambar garis sejajar dengan BD dan CE. Ini akan memotong BC dan DE pada K dan L secara berurutan.
4. Gabungkan dengan DF dan AD, untuk membentuk segitiga BCF dan BDA
5. Sudut CAB dan BAG keduanya adalah sudut kanan; oleh karena itu C, A, dan G adalah kollinear. Demikian pula untuk B, A, dan H.
6. Sudut CBD dan FBA keduanya sudut kanan; Oleh karena itu sudut ABD sama dengan sudut FBC, karena keduanya adalah jumlah dari sudut kanan dan sudut ABC.
7. Karena AB sama dengan FB dan BD sama dengan BC, segitiga ABD harus kongruen dengan segitiga FBC.
8. Karena AKL adalah garis lurus, sejajar dengan BD, maka persegi panjang BDLK memiliki dua kali luas segitiga ABD karena mereka berbagi basis BD dan memiliki ketinggian BK yang sama, yaitu, garis normal ke basis umum mereka, menghubungkan garis paralel BD dan AL. (lemma 2)
9. Karena C adalah kollinear dengan A dan G, BAGF persegi harus dua kali luas untuk segitiga FBC.
10. Oleh karena itu, persegi panjang BDLK harus memiliki area yang sama dengan persegi BAGF = AB².
11. Demikian pula, dapat ditunjukkan bahwa persegi panjang CKLE harus memiliki area yang sama dengan persegi ACIH = AC².
12. Tambahkan dua hasil ini, AB² + AC² = BD × BK + KL × KC
13. Sejak BD = KL, BD × BK + KL × KC = BD(BK + KC) = BD × BC
14. Karena itu, AB² + AC² = BC², sejak CBDE adalah persegi.

Bukti ini, yang muncul dalam Elemen Euclid seperti pada Proposisi 47 dalam Buku 1, menunjukkan bahwa luas kotak pada sisi miring adalah jumlah dari luas dua kotak lainnya. Ini sangat berbeda dari pembuktian dengan kemiripan segitiga, yang diduga sebagai bukti bahwa Pythagoras digunakan.

Bukti Einstein dengan diseksi tanpa penataan ulang

Segitiga kanan pada sisi miring dibedah menjadi dua segitiga siku-siku pada kaki, menurut bukti Einstein

Albert Einstein memberikan bukti dengan pembedahan di mana potongan-potongan tidak perlu dipindahkan. Alih-alih menggunakan persegi pada sisi miring dan dua persegi pada kaki, kita dapat menggunakan bentuk lain yang mencakup sisi miring, dan dua bentuk serupa yang masing-masing mencakup satu dari dua kaki alih-alih sisi miring (lihat Figur serupa di tiga sisi). Dalam bukti Einstein, bentuk yang mencakup sisi miring adalah segitiga siku-siku itu sendiri. Diseksi terdiri dari menjatuhkan tegak lurus dari sudut sudut kanan segitiga ke sisi miring, sehingga membelah seluruh segitiga menjadi dua bagian. Kedua bagian tersebut memiliki bentuk yang sama dengan segitiga siku-siku asli, dan memiliki kaki-kaki dari segitiga asli sebagai sisi miringnya, dan jumlah area mereka adalah segitiga asli. Karena rasio luas segitiga siku-siku dengan kuadrat sisi miringnya sama untuk segitiga serupa, maka hubungan antara luas ketiga segitiga tersebut juga berlaku untuk kuadrat sisi-sisi segitiga besar.

Bukti aljabar

Diagram dua bukti aljabar

Teoremanya dapat dibuktikan secara aljabar menggunakan empat salinan dari segitiga siku-siku dengan sisi a, b dan c, disusun di dalam kotak dengan sisi c seperti di bagian atas diagram. Segitiga mirip dengan area ${\tfrac {1}{2}}ab$, sedangkan kotak kecil memiliki sisi b − a dan area (b − a)². Oleh karena itu luas persegi panjang

$(b-a)^{2}+4{\frac {ab}{2}}=(b-a)^{2}+2ab=b^{2}-2ab+a^{2}+2ab=a^{2}+b^{2}.$

Tapi ini adalah persegi dengan sisi c dan luas c², jadi

$c^{2}=a^{2}+b^{2}.$

Bukti serupa menggunakan empat salinan dari segitiga yang sama disusun secara simetris di sekitar kotak dengan sisi c, seperti yang ditunjukkan di bagian bawah diagram. Ini menghasilkan kotak yang lebih besar, dengan sisi a + b dan luas (a + b)². Keempat segitiga dan sisi persegi c harus memiliki area yang sama dengan persegi yang lebih besar,

$(b+a)^{2}=c^{2}+4{\frac {ab}{2}}=c^{2}+2ab,$

memberikan

$c^{2}=(b+a)^{2}-2ab=b^{2}+2ab+a^{2}-2ab=a^{2}+b^{2}.$

Diagram bukti Garfield

Bukti terkait diterbitkan oleh Presiden Amerika James A. Garfield (kemudian Perwakilan A.S.) (lihat diagram). Alih-alih menggunakan persegi, sebuah trapesium, yang dapat dibangun dari bujur sangkar di kedua bukti di atas dengan membagi dua diagonal dari dalam persegi, untuk memberikan trapesium seperti yang ditunjukkan pada diagram. Luas trapesium dapat dihitung menjadi setengah luas persegi, yaitu

${\frac {1}{2}}(b+a)^{2}.$

Persegi bagian dalam juga dibelah dua, dan hanya ada dua segitiga sehingga buktinya berlangsung seperti di atas kecuali untuk faktor ${\frac {1}{2}}$, yang dihapus dengan mengalikan dua untuk memberikan hasilnya.

Bukti menggunakan diferensial

Seseorang dapat sampai pada teorema Pythagoras dengan mempelajari bagaimana perubahan di suatu sisi menghasilkan perubahan dalam sisi miring dan menggunakan kalkulus.

Segitiga ABC adalah segitiga siku-siku, seperti yang ditunjukkan di bagian atas diagram, dengan BC sisi miring. Pada saat yang sama panjang segitiga diukur seperti yang ditunjukkan, dengan sisi miring panjang y, sisi AC panjang x dan sisi AB panjang a, seperti terlihat pada bagian diagram yang lebih rendah.

Diagram untuk bukti diferensial

Jika x ditambahkan dengan sejumlah kecil dx dengan memperpanjang sisi AC sedikit ke D, maka y juga meningkat dengan dy. Ini membentuk dua sisi segitiga, CDE, yang (dengan E dipilih sehingga CE tegak lurus terhadap sisi miring) adalah segitiga siku-siku yang kira-kira mirip dengan ABC. Oleh karena itu, rasio sisi mereka harus sama, yaitu:

${\frac {dy}{dx}}={\frac {x}{y}}.$

Ini dapat ditulis ulang sebagai $y\,dy=x\,dx$ , yang merupakan persamaan diferensial yang dapat diselesaikan dengan integrasi langsung:

$\int y\,dy=\int x\,dx\,,$

memberikan

$y^{2}=x^{2}+C.$

Konstanta dapat disimpulkan dari x = 0, y = a untuk memberikan persamaan

$y^{2}=x^{2}+a^{2}.$

Ini lebih merupakan bukti intuitif daripada yang formal: ini dapat dibuat lebih ketat jika batas yang tepat digunakan sebagai pengganti dx dan dy.

Lihat pula

• Pythagoras
• Euklides
• Ortogonalitas
• Aljabar linear
• Geometri sintetis
• Teorema terakhir Fermat
• Hukum jajaran genjang

Bacaan Lebih Lanjut

• Siswono, Tatang Yuli Eko (2007). Matematika 2 SMP dan MTs untuk Kelas VIII. Jakarta: Esis/Erlangga. ISBN 979-734-666-8.  (Indonesia)