为什么折纸可以解决尺规作图难题?

作者: ⼤⼩吴

来源: 公众号:⼤⼩吴的数学课堂

发布日期: 2023-03-29 12:10:51

本文探讨了折纸如何解决尺规作图难题,并通过折纸公理、折纸与抛物线的关系以及公理6的特殊之处,详细解释了其背后的数学原理。

你是否有⼀个疑惑,为什么偏偏折纸可以解决尺规作图⽆法解决的作图难题?今天⼤⼩吴就和⼤家进⼀步探讨其背后蕴含的数学原理。

1折纸公理

我们知道,在欧⼏⾥得⼏何学中,尺规作图基于的是欧⽒⼏何的五条公理。⽽在折纸过程中,纸被折⼀次就可以得到⼀条直线(折痕)。因此从数学的⻆度来说,折纸操作意味着构造了⼀条直线将平⾯的⼀半映射到另⼀半。基于此,1991年⽇裔意⼤利数学家藤⽥⽂章(Humiaki Huzita)创⽴了折纸公理(共6条,后完善为7条)。

2折纸与抛物线

在解释公理6之前,我们先来讨论⼀种⽐较熟悉的⼆次曲线——抛物线。根据公理5,我们可以将抛物线的焦点通过折纸操作映射到准线上的点,且折痕过抛物线上的⼀点。可以证明,折痕必然是抛物线上过该点的切线,且垂直平分。改变点的位置,使其取遍抛物线上的点,可以得到⽆数条折痕,⽽所有的折痕构成了抛物线的包络线。

3公理6的特殊之处

如果你理解了上述内容,你就可以理解公理6中的折痕实际上就是两条抛物线的公切线。接下来我们将要说明:这条公切线的斜率实际上是满⾜某个三次⽅程的解。换句话说:公理6等价于解决三次⽅程问题。⽽这正是尺规作图所做不到的。

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