Steffen可活动多面体

    大家都知道,三角形具有稳定性。如果你把三根木条钉成一个三角形,则这几根木条是不能活动的。这是因为,根据三角形的SSS全等判定法则,两个三角形的三边长对应相等,则这两个三角形一定全等。但四边形就不是了,用四根一样长的木条钉成一个正方形,握着相对的两个角往两边一拉,正方形就变成菱形了。不知道大家想过没有,类比到三维空间中,多面体的稳定性又是怎样的呢?
    Cauchy定理指出,如果两个凸多面体对应的面全等,那么这两个多面体全等。这告诉我们,任何一个凸多面体一定都是不可活动的。在Cauchy定理中,“凸多面体”这一条件是必需的。如果允许凹的多面体存在,对应面相等但整个多面体不全等的形状可以很轻易地构造出来。例如,想象立方体的某个面中心有一个小金字塔,这个金字塔既可以是向外凸的(就像表面上的一根刺),也可以是向内凹的(表面上的一个坑);这是两个截然不同的多面体,但它们的对应面都是相等的。不过,这与我们的稳定性并没有关系,因为它并不是做连续的变形,而是直接一下就“跳”过来了。
    很长一段时间,人们曾经猜想,不存在可以做出连续变形且保持所有面不变的“可活动多面体”(Flexible Polyhedron)。1978年,Connelly找到了第一个反例。他给出了一个由18个面组成的可活动多面体。

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为什么平分圆面积的所有曲线中以直径最短?

    很多时候,我们往往不知道如何证明一些最简单、最基本的命题,即使证明本身也并不复杂。上个星期我去《数学思维方法与创新》这门通选课时,丘维声教授就提到了这个问题;在随堂统计中,知道三角函数和角公式证明方法的人出乎意料的少,而事实上高中的数学教材上印有这个公式的完整证明。
    试着证明这个定理:给定一个圆,则端点在圆周上的平分圆面积的曲线以圆的直径最短。

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最酷的证明:Pick定理另类证法

    难以想像,一段小小的证明竟然能比一个瘦小的留着长头发穿黑色短袖T恤紧身牛仔裤边跳边弹吉他的MM还要酷。原来一直以为这个证明已经很酷了,现在显然我已经找到了一个更酷的证明。
    Pick定理是说,假设平面上有一个顶点全在格点上的多边形P,那么其面积S(P)应该等于i+b/2-1,其中i为多边形内部所含的格点数,b是多边形边界上的格点数。绝大多数证明都是用割补的办法重新拼拆多边形。这里,我们来看一个另类的证明。
    假设整个平面是一个无穷大的铁板;在0时间,每个格点上都有一个单位的热量。经过无穷长时间的传导后,最终这些热量将以单位密度均匀地分布在整个铁板上。下面我们试着求多边形P内的热量。考虑多边形的每一条线段e:它的两个端点均在格点上,因此线段e的中点是整个平面格点的对称中心,因而流经该线段的热量收支平衡(这半边进来了多少那半边就出去了多少),即出入该线段的热量总和实际为0。我们立即看到,P的热量其实完全来自于它自身内部的i个格点(的全部热量),以及边界上的b个格点(各自在某一角度范围内传出的热量)。边界上的b个点形成了一个内角和为(b-2)*180的b边形,从这b个点流入P的热量为(b-2)*180/360 = (b-2)/2 = b/2-1。再加上i个内部格点,于是S(P)=i+b/2-1。

来源:
http://zhuhcheng.spaces.live.com/blog/cns!DE38E96268C49F28!212.entry
http://www.math.ethz.ch/~blatter/Pick.pdf