✨ 新增 0039、0040 题解及配套文档

solutions/0039.IntegerTriangles/README.md

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+# 勾股三元组
+
+以下为AI总结。
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+---
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+### 1. 核心定义
+
+**勾股三元组** 是指三个**正整数** \((a, b, c)\)，满足**勾股定理**方程：
+\[
+a^2 + b^2 = c^2
+\]
+其中 \(c\) 称为**斜边**，\(a\) 和 \(b\) 称为**直角边**。
+
+**例如**：\((3, 4, 5)\)，因为 \(3^2 + 4^2 = 9 + 16 = 25 = 5^2\)。
+
+---
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+### 2. 关键分类：本原 vs 非本原
+
+#### **本原勾股三元组**
+- **定义**：满足 \(\gcd(a, b, c) = 1\) 的勾股三元组。即三个数互质（最大公约数为1）。
+- **性质**：
+  1. \(a\) 和 \(b\) 必然**一奇一偶**。
+  2. \(c\) 永远是奇数。
+  3. 任意两个数互质。
+- **例子**：\((3, 4, 5)\)， \((5, 12, 13)\)， \((8, 15, 17)\)。
+- **重要性**：所有勾股三元组的“基本生成元”，非本原三元组都是本原三元组的正整数倍缩放。
+
+#### **非本原（导出）勾股三元组**
+- **定义**：由一个本原三元组乘以一个大于1的正整数 \(k\) 得到，即 \((ka, kb, kc)\)，此时 \(\gcd(a, b, c) > 1\)。
+- **例子**：\((6, 8, 10)\) 是 \((3, 4, 5)\) 的2倍。
+
+---
+
+### 3. 核心生成公式（欧几里得公式）
+
+这是一个在数论中用于**生成所有本原勾股三元组**的经典公式。
+
+给定任意一对**互质**的正整数 \(m\) 和 \(n\) （\(m > n > 0\)），且满足：
+- \(m\) 和 \(n\) **一奇一偶**（即不同时为奇数，也不同时为偶数）。
+
+则可生成一个本原勾股三元组：
+\[
+\begin{align*}
+a &= m^2 - n^2 \\
+b &= 2mn \\
+c &= m^2 + n^2
+\end{align*}
+\]
+
+**推导思路**：
+从方程 \(a^2 + b^2 = c^2\) 出发，进行代数变形。一种常见方法是将方程重写为：
+\[
+c^2 - a^2 = b^2 \quad \Rightarrow \quad (c-a)(c+a) = b^2
+\]
+通过设定 \(\frac{c+a}{b} = \frac{m}{n}\)（既约分数），并引入参数 \(m, n\)，经过整理即可得到上述公式。它本质上是利用了复数模的性质：\(|m + ni|^2 = m^2 + n^2\)。
+
+**例子**：取 \(m=2, n=1\)（互质，一奇一偶）
+\[
+a = 4-1=3, \quad b = 2\times2\times1=4, \quad c = 4+1=5 \quad \Rightarrow (3,4,5)
+\]
+取 \(m=3, n=2\)
+\[
+a=9-4=5, \quad b=12, \quad c=9+4=13 \quad \Rightarrow (5,12,13)
+\]
+
+**重要结论**：**所有本原勾股三元组都可以由唯一一对满足条件的 \((m, n)\) 通过此公式生成**。所有勾股三元组（包括非本原）则是本原三元组的正整数倍。
+
+---
+
+### 4. 几何视角与三角学联系
+
+在单位圆 \(x^2 + y^2 = 1\) 上，有理点 \(\left( \frac{a}{c}, \frac{b}{c} \right)\) 对应于一个勾股三元组 \((a, b, c)\)。
+通过参数化 \(t = \tan(\theta/2)\)（**半角正切公式**），令 \(t = \frac{n}{m}\)（有理数），则：
+\[
+\cos\theta = \frac{1-t^2}{1+t^2} = \frac{m^2-n^2}{m^2+n^2} = \frac{a}{c}, \quad \sin\theta = \frac{2t}{1+t^2} = \frac{2mn}{m^2+n^2} = \frac{b}{c}
+\]
+这直接给出了欧几里得公式的三角解释。因此，寻找勾股三元组等价于寻找单位圆上的有理点。
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+
+### 5. 一些有趣的数学性质
+
+1. **面积**：本原三元组生成的直角三角形的面积 \(S = \frac{1}{2}ab = mn(m-n)(m+n)\)，它总是**整数**，并且是6的倍数。
+2. **周长**：本原三元组的周长 \(P = a+b+c = 2m(m+n)\)。
+3. **斜边性质**：
+   - 本原三元组的斜边 \(c\) 是奇数，且可以表示为两个平方数之和 \(c = m^2 + n^2\)。
+   - 斜边 \(c\) 的**每个**形如 \(4k+1\)（\(k\)为正整数）的质因数，都对应着一种将该斜边表示为两个平方数之和的方式，从而关联到更深刻的**费马平方和定理**。
+4. **无限性**：存在无限多个本原勾股三元组。
+
+---
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+### 6. 历史与意义
+
+- 最早的记录可追溯到公元前1800年左右的**古巴比伦**泥板（如普林顿322号），其上刻有大量勾股三元组，表明古人已掌握其计算规律。
+- 在古希腊，**毕达哥拉斯学派**对其进行了系统研究，并将其与几何和“完美数”观念联系。
+- 在近代数学中，对勾股三元组的研究自然导向了**费马大定理**（方程 \(a^n + b^n = c^n\) 在 \(n>2\) 时无正整数解），这是数论中的一个里程碑。
+- 在现代，勾股三元组出现在密码学、算法设计和一些物理问题中。
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+---
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+### 总结
+
+勾股三元组是满足 \(a^2 + b^2 = c^2\) 的正整数三元组。其核心是**本原三元组**，可通过**欧几里得公式** \((m^2-n^2, 2mn, m^2+n^2)\) 用一对互质且一奇一偶的参数 \((m, n)\) **完全生成**。它在数学上连接了几何（直角三角形）、数论（平方和、质因数分解）和代数（曲线有理点），是一个基础而内涵丰富的概念。

solutions/0039.IntegerTriangles/euler_39.py

@@ -6,3 +6,98 @@ If p is the perimeter of a right angle triangle with integral length sides,
 
 For which value of p<=1000, is the number of solutions maximised?
 """
+
+import time
+import math
+
+
+def timer(func):
+    def wrapper(*args, **kwargs):
+        start_time = time.time()
+        result = func(*args, **kwargs)
+        end_time = time.time()
+        print(f"{func.__name__} took time: {end_time - start_time:.6f} seconds")
+        return result
+    return wrapper
+
+
+def generate_pythagorean_triples(max_perimeter: int = 1000) :
+    """
+    使用yield生成勾股三元组的m和n参数
+
+    参数:
+        max_perimeter: 三角形周长的最大值
+
+    生成:
+        (m, n) 元组，满足：
+        - m > n > 0
+        - m和n互质 (gcd(m, n) == 1)
+        - m和n一奇一偶
+        - 三角形周长 2*m*(m+n) < max_perimeter
+    """
+    # 从m=2开始（因为m>n≥1）
+    m = 2
+
+    while True:
+        # 对于每个m，n从1到m-1
+        for n in range(1, m):
+            # 检查是否满足互质条件
+            if math.gcd(m, n) != 1:
+                continue
+
+            # 检查是否一奇一偶
+            if (m % 2) == (n % 2):
+                continue
+
+            # 计算对应三角形的周长
+            perimeter = 2 * m * (m + n)
+
+            # 如果周长超过限制，则停止生成
+            if perimeter >= max_perimeter:
+                # 对于当前m，如果最小周长（当n=1时）已经超过限制，
+                # 那么后续更大的m也会超过，所以完全停止
+                if n == 1:
+                    return
+
+            # 如果周长在限制内，则yield当前(m, n)
+            if perimeter < max_perimeter:
+                yield (m, n)
+
+        m += 1
+
+
+def triangle_length(m:int, n:int) -> int:
+    return 2 * m * (m + n)
+
+def get_abc(m:int, n:int) -> tuple[int, int, int]:
+    a = m**2 - n**2
+    b = 2 * m * n
+    c = m**2 + n**2
+    return a, b, c
+
+def primitive_triangles(limit: int = 1000) -> dict[int, list] :
+    triangle_lengths = {}
+    for m, n in generate_pythagorean_triples(limit):
+        length = triangle_length(m, n)
+        if length not in triangle_lengths:
+            triangle_lengths[length] = set()
+        a,b,c = get_abc(m, n)
+        triangle_lengths[length].add((a, b, c))
+        for k in range(2, limit // length + 1) :
+            lenp = k * (a + b + c)
+            if lenp not in triangle_lengths:
+                triangle_lengths[lenp] = set()
+            triangle_lengths[lenp].add((a*k, b*k, c*k))
+    return triangle_lengths
+
+
+@timer
+def main():
+    max_perimeter = 1000
+    triangle_lengths = primitive_triangles(max_perimeter)
+    print(triangle_lengths)
+    max_length = max(triangle_lengths, key=lambda x: len(triangle_lengths[x]))
+    print(f"Max length: {max_length}, Count: {len(triangle_lengths[max_length])}")
+
+if __name__ == "__main__":
+    main()