拍案惊奇,原来折纸背后的数学如此强大
一张白纸,不剪不裁,却能折出无数变化。有时候尺规作图无法完成的任务,折纸却能解决。为什么它能有如此多变化呢?这还要从折纸对应的几何操作说起了。
折纸几何公理
1991 年,日裔意大利数学家藤田文章(Humiaki Huzita) 指出了折纸过程中的 6 种基本操作,也叫做折纸几何公理。假定所有折纸操作均在理想的平面上进行,并且所有折痕都是直线,那么这些公理描述了通过折纸可能达成的所有数学操作:
1. 已知 A 、 B 两点,可以折出一条经过 A 、 B 的折痕
2. 已知 A 、 B 两点,可以把点 A 折到点 B 上去
3. 已知 a 、 b 两条直线,可以把直线 a 折到直线 b 上去
4. 已知点 A 和直线 a ,可以沿着一条过 A 点的折痕,把 a 折到自身上
5. 已知 A 、 B 两点和直线 a ,可以沿着一条过 B 点的折痕,把 A 折到 a 上
6. 已知 A 、 B 两点和 a 、 b 两直线,可以把 A 、 B 分别折到 a 、 b 上
容易看出,它们实际上对应着不同的几何作图操作。例如,操作 1 实际上相当于连接已知两点,操作 2 实际上相当于作出已知两点的连线的垂直平分线,操作 3 则相当于作出已知线段的夹角的角平分线,操作 4 则相当于过已知点作已知线的垂线。真正强大的则是后面两项操作,它们确定出来的折痕要满足一系列复杂的特征,不是尺规作图一两下能作出来的(有时甚至是作不出来的)。正是这两个操作,让折纸几何有别于尺规作图,折纸这门学问从此处开始变得有趣起来。
更有趣的是,操作 5 的解很可能不止一个。在大多数情况下,过一个点有两条能把点 A 折到直线 a 上的折痕。

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