漫话折纸几何学

    前几天,一篇叫做 用正方形纸片折出等边三角形 的日志引起大家的讨论,折出正七边形和折出角三等分线的方案更是让大家争论不休。提得最多的问题就是,折纸为什么要比尺规作图更强?这是一个好问题。我查了不少资料,了解到不少折纸几何的历史,收获颇大,不赶紧记下来就亏大了。于是有了这篇文章。

    要解答为何折纸如此强大,首先我们得解决一个问题:什么叫折纸。折纸的游戏规则是什么?换句话说,折纸允许哪些基本的操作?大家或许会想到一些折纸几何必须遵守的规则:所有直线都由折痕或者纸张边缘确定,所有点都由直线的交点确定,折痕一律是将纸张折叠压平再展开后得到的,每次折叠都要求对齐某些已有几何元素(不能凭感觉乱折),等等。不过,这些定义都太“空”了,我们需要更加形式化的折纸规则。 1991 年, Humiaki Huzita 指出了折纸过程中的 6 种基本操作(也可以叫做折纸几何的公理):

   

 1. 已知 A 、 B 两点,可以折出一条经过 A 、 B 的折痕

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用相同的面组成多面体,凸多面体不一定会更大

    有这么两个八面体,它们是由一组相同的三角形面组成的,不过一个是凸多面体,一个是凹多面体。这两个多面体的体积哪个更大?

    不可思议的是,真的就有这么两个八面体,凹的那个比凸的那个更大一些。 2002 年, S. N. Mikhalev 首次发现了这样一对八面体,其中凸多面体的六个顶点分别为

N(0, 0, 1),A(10, 1, 0),B(0, 6, 0),C(-10, 1, 0),D(0, -10, 0),S(0, 0, -1)

    凹多面体的六个顶点则为

N(0, 0, √61/3),A(√71, 4√2/3, 0),B(0, -5√2/3, 0),C(-√71, 4√2/3, 0),D(0, -11√2/3, 0),S(0, 0, -√61/3)

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