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折而不画:折纸几何学

你肯定知道日本的折纸艺术,星星、纸鹤、天鹅这些通常像变戏法一样从正方形的纸中折出。即使是数学家也对这种高超的折纸技术感兴趣,因为它可以实现仅靠圆规和直尺无法实现的几何特技。人们给灵感源于数学的折纸创造了一个词——折纸几何学(Origamics)。它是日语的折纸(Origami)和英语的数学(Mathematics)的混合体。

我会在本章最后向你介绍一些这样的几何折叠技巧。现在让我们从正五边形开始,它也可以被折出来,而我们需要的仅是一张狭长的纸条。例如,你可以从A4纸的长边剪下3~4厘米宽的一个纸条,但一定要确保它的宽度上下一致。

请你拿起纸条,将它的一端打个环,然后将另一端穿过这个环,也就是你用纸条打了一个简单的结。现在,到考验你的时候了:一点一点地把纸结拉紧。在这个过程中,纸条绝对不能折叠,也不能有压痕。只要你稍微注意,最后就会出现一个108°的角,即正五边形的一个内角的大小。

从纸结到正五边形

此时五边形的三条边已经清晰可见。现在你只需要用剪刀把纸条两端多余的部分剪掉,然后将剩余的部分整齐地折起来,这样正五边形就做好了!

作为一个数学爱好者,这时你可能会问:“它是正五边形吗?它的所有内角和所有边长都一样吗?”如果你愿意,可以试着自己证明一下。

或者我也可以给你解释。不过,要证明上面的问题并不容易。下图展示了一个纸结——与上图(参见第44页)不同的是它旋转了180°。五边形的五个角分别标记为 A B C D E ,不过现在我们还不知道它是不是正五边形。

在上图的五边形中有几条线段相互平行,比如 DE AC 。我们之所以说它们是平行的,是因为它们是由打结纸带的边缘构成的。除此之外,我们还可以确定的是纸结一定是对称的。如果我们互换它的正反面,也就是把纸结翻到另一面,纸结本身不会发生任何变化。因此,我们可以画一条对称轴,即上图中那条垂直的虚线。由于它的对称性,所以我们可以确定的是对角线BE一定平行于线段 CD

现在我们标记出五边形中的众多角,在其中我们会充分利用当一条直线与其他两条平行直线相交时,同位角相等的规律。例如,角 ACE 和角 BAC 相等,我们用 α 表示两个角。出于对称性的原因,内角 C D B E 的各自的三个小内角分别与它们相对的角相等。因此,我们用三个不同的角 α β γ 标记所有内角——一共15个。例如,角 ECD (等于 β )和角 BEC 是相等的,因为线段 CE 与两条平行线段 CD BE 相交,所以角 BEC 等于 β 。如此一来,我们便可以推导出剩余的内角。但现在我们需要证明的是,这些角都相等( α = β = γ ),且五边形的所有边长相等。

首先,我们看一下角 A 的外角,它的大小为2 β ,它与角 DBA 互为平行线 BD AE 的内错角。右上方的纸带在这里被折叠,线段 AB 就是折叠的位置。折后的纸带一直延伸至线段 CD 的边缘并在这里再次折叠,随后向右折到边缘 AE ,紧接着从那里转向左上角。

折叠边缘的作用就像镜子一样:入射角等于反射角,所以 α + γ 一定等于角 A 的外角。这样我们就知道了外角的大小:由于线段 AB CE 平行,所以外角为 β + β 。由此,我们又可以推导出 α + γ = β + β 。反过来,这意味着三角形 ACE ABD 是等腰三角形。由于 ACD 也是等腰三角形,所以四条对角线 AC AD BD CE 的长度相等。

我们现在来看对角线 AC 。从左上方延伸出的纸带的宽度为sin( α )× AC 。折叠后,纸带朝线段 CD 的方向延伸,其宽度可以用sin( γ )× AC 来计算。由于纸带的宽度不变,所以角 α 和角 γ 的大小一定是相同的。于是,我们便可以得出: α = β = γ

同理,我们还可以推导出对角线BE与其余四条对角线的长度相等。因此,最终得出结论:在上图(参见第45页)的五边形中,所有的内角和边长都相等。由此可见,它确实是一个正五边形,这样我们就完成了这个不那么简单的证明。 NJ5NS6ftDy9QxL8v08tVN5/kzDZ8y0eLAxcTTlFbWyIXC+ZqjX1nHUeHxzHCCKhZ

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