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刘瑞祥:关于折纸第六公理的说明

  折纸几何学是近些年来比较热门的一个话题,很适合在中小学课外活动中开展。顾森在其科普著作《思考的乐趣》里曾经介绍过,另外一本黄燕苹、李秉彝著的《折纸与数学》则有更深入的讲解。

  全部的折纸基本操作一共有七条,称为折纸基本公理,其中比较让人困惑的是所谓的公理六:已知A、B两点和a、b两直线,可以把A、B分别折到a、b上。补充说明1按照前述资料的介绍,说这个操作相当于求解三次方程,但是很多资料并没有更进一步的说明。顾森的博客上有网友留言给出了相关链接,但是日文的,蒙科学网博主蒋迅老师帮助利用谷歌自动翻译功能,我又找到了一篇中文文章,总算是自我感觉大致理解了。下面作一介绍。

  前述两篇文章讲解公理六的部分内容是一致的,讲的是给出两点P1(a,1)和P2(c,b)及两直线l1:y+1=0、l2:x+c=0,要使P1折到l1上,P2折到l2上,最多可以有三条折痕,其斜率对应于方程t3+at2+bt+c=0的实数解。这里已知的点、线坐标(方程)和三次方程系数要对应好。

  下面重点来了。笔者为了给学生直观展示这三个折痕,用这些带字母的式子肯定是不行的,需要用更直观的方式,最好是把这三个折痕画出来。画法如下:

构造一个有三个实数解的三次方程,这很容易,我们可以设这个方程为(t-t1)(t-t2)(t-t3)=0。我一开始随意设了三个根,然后把这个三次方程的各项系数分别求出来(最高项系数必须为1);

在几何画板里画一个边长10厘米的正方形代表纸张,以其中心为原点, 并且自定义单位长度(我是以0.5厘米作为单位1),按照前面所说的该三次方程系数与各点、线的对应关系,画出P1、P2和l1、l2;

若P1经过折叠后的对应点是P1",而折痕的斜率是ti,则P1P1"连线的斜率应为-1/ti(i=1,2,3,因为折痕是对应点连线的垂直平分线),而过P1、斜率为-1/ti的直线与l1的交点即是P1",二点连线的垂直平分线即为折痕。

过P2做折痕的垂线,与l2相交,交点即为折叠后P2的对应点。

  经过上述一番折腾,笔者发现原来无意中设定的这些数值,居然有两个解使已知点折到了已知直线的交点上,这也太巧合了吧。这样的例子给学生,会让学生误以为三个解中必然会出现已知点折到已知直线交点。不甘心的我换了一组数值,发现仍然如此,真是无语了。

黑色实线为纸张轮廓,红色实线为已知直线,红色虚线为折痕,蓝线为已知点和折叠后的对应点的连线

  几经思考,笔者觉得问题出现在我设定的三次方程的解都是简单的整数比,这次我痛下决心,用了无理数,设定三次方程的解分别是1、-sqr(2)、sqr(3),于是问题完美解决,不再使得已知点经过折叠后到已知直线的交点位置了。补充说明2

本例的三个解

补充说明:

所谓最多三个解,不限定于两条已知直线互相垂直的情况;而且这三个解是这样的:只包括A→a且B→b,如果还包括点A→b且B→a,则最多可能有六个解。

本文最后的三个图,坐标原点不在正方形中心,而是略靠上一点,否则最后一图P2的对应点就跑到纸外去了。

读者可以思考一下,公理六到底什么情况下会使其中一点折叠后过两条已知直线的交点。

参考资料:

http://www.matrix67.com/blog/archives/4169

http://origami.ousaan.com/library/constj.html

数学通报,2007年第46卷第10期,P57,折纸与尺规作图,张贺佳,广东省佛山顺德一中

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