幾何篇：折出點線面體

【編者的話】不深入接觸折紙你可能永遠(yuǎn)也想不通，如此簡單的一張白紙能夠用來做些什么？折紙有何神奇之處？小時候你折紙可能更加偏重于折些簡單的小動物、小物件等，在今天看來，或許已經(jīng)不那么神奇，但這其實只是你的誤解.這次的主題是折紙與數(shù)學(xué)，自然不那么簡單，希望能讓你再次驚嘆于折紙的無窮魅力.

1、折出定比分點

正方形的紙隨意一折，一般能出現(xiàn)一個（凹）九邊形，如圖1.

如果稍微約束一下隨意性，保證折痕經(jīng)過中心點，那會產(chǎn)生什么奇妙的現(xiàn)象嗎？

這個問題很值得研究.

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果邊的疊合點是各自邊上的有理定比分點，那么折痕經(jīng)過的點也必是某個有理定比分點.從而折疊產(chǎn)生任意的有理定比分點都變得有章可循.

命題 如圖2，AD+DC =1，∠C =90。，AB=BC=x.則CD=（1-2x）/（2-2x）

證 由折疊方法可知，AB+BD+DC =1.設(shè)CD =y，在△BCD中由勾股定理，x2+y2 =（1-x-y）2.化簡為1-2x-2y+2xy =O，從而y=（1-2x）/（2-2x）證畢.

從以上結(jié)論看出，如果x是個分母為2n的單位分?jǐn)?shù)（分子為1的分?jǐn)?shù)），即x=1/2n，那么y的值就是（n-1）/（2n-1），說明由B點這個2n等分點，得到了D這個2n-1等分點.

例如要分紙的一邊為7等分，那就先把它一組鄰邊8等分，將兩邊的第一個等分點疊合起來得到的折痕就過某個7等分點.確切說，這時D是4：3分點.

一般地，對于某個素數(shù)N，欲N等分正方形的邊，我們必先得到邊的N+l等分.因為這是個偶數(shù)，所以就只須折疊得到（N+1）/等分.這是較小的一個整數(shù)，我們可以繼續(xù)利用類似的思路，即“偶數(shù)÷2，奇數(shù)+1”的策略，最終化歸得出任何素數(shù)的等分點折法.合數(shù)的等分點只要依次把每個素數(shù)因子等分，就可以實現(xiàn)了.

2 對數(shù)螺線怎么折

對數(shù)螺線是由笛卡兒在1638年發(fā)現(xiàn)的，雅各布·伯努利后來重新研究，他十分驚嘆和欣賞這曲線的特性，故要求死后將之刻在自己的墓碑上，并附詞“縱使改變，依然故我”.可惜雕刻師誤將阿基米德螺線刻了上去，不得不說是一種遺憾，

這是一種神奇的螺線，可以在自然界中找到很多類似的例子，如鸚鵡螺的貝殼、蜘蛛網(wǎng)的構(gòu)造、漩渦星系的懸臂等.感興趣的同學(xué)，可以閱讀《數(shù)學(xué)文化素質(zhì)教育資源庫》的相關(guān)內(nèi)容，而今天，我們將在常博士的帶領(lǐng)下，看看如何用一張普通的紙折出近似的對數(shù)螺線.

（一）初步嘗試

通過折疊一張紙就能實現(xiàn)初步模擬對數(shù)螺線！怎么折？先來學(xué)學(xué)吧，準(zhǔn)備一張A4紙，折起45°角，得到一個等腰三角形，如圖1所示.

沿著折痕剪下這個等腰三角形紙片，我們的螺旋折紙就從這個等腰三角形紙片開始.

第一步折疊：沿等腰三角形的中位線，將頂角折向底邊.同時注意觀察：經(jīng)過折疊，我們得到的是一個等腰梯形，它的鈍角頂點是135°.

接下來我們要折的過程是一系列類似的操作.

先來看第二步折疊如何操作.

這一步的折疊得到的是一個凹六邊形.折法是讓上底的右端點與下底的中點對合折疊.從效果看，折痕正好與右腰平行，翻轉(zhuǎn)的部分是一個平行四邊形.

如圖3，折疊示意圖中畫了圓圈的兩點其實可看成是一個大的平行四邊形的兩個相對的鈍角！注意到這個巧合性，我們就感到有趣了！

我們的第三步折疊就是繼續(xù)將折起來的平行四邊形中兩個鈍角對合折疊.效果如圖4.

已經(jīng)猜到第四步怎么折了？繼續(xù)疊合上步操作得到的平行四邊形的兩個鈍角.完全正確！你可以操作第五步、第六步、第七步……直至無窮（如果真有那么大的紙張的話）.

事實上，另外還限于手工制作的精細(xì)度極限，紙變小的過程只能到第十步左右為止.讓我們看看電腦繪制的更精細(xì)的完成圖，如圖5所示.

實際上，我們得到了一個類似長裙的裙擺的結(jié)構(gòu)，它像楊麗萍跳孔雀舞時穿的服裝，更像是一個摩登的螺旋式臺階的空中俯瞰圖.

這款折紙是從臺灣的李政憲老師那里學(xué)來的，不過稍微加了些變化.

數(shù)學(xué)上如何看待這個折紙呢？在數(shù)學(xué)上，我們把每隔一個固定的角度，點到出發(fā)起始點的距離就拉伸一個固定的比例，這樣的點的運動軌跡叫對數(shù)螺線.

在生活中很多地方都有對數(shù)螺線的身影：葵花籽在向日葵花頭上的排列，鸚鵡螺的殼上的花紋，熱帶氣旋的衛(wèi)星云圖，等等.它們都有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達式：p =e^aθ.

最后我們來欣賞一下我們的折紙與對數(shù)螺旋在多大程度上近似，請看圖6.

（二）再次改進

在（一）中，我們嘗試著折出了對數(shù)螺線的模擬圖，但是效果外觀并不十分盡如人意，這條螺線與實際的貝殼螺線還有距離.為此，我們還要進一步分析和思考，能否折出如圖7中鸚鵡螺那樣具有不同參數(shù)a的對數(shù)螺線p =e^aθ的問題.

在這個問題上，日本折紙藝術(shù)家布施知子（ TomokoFuse）已有一個如圖8的設(shè)計.她用正方形紙折出頂角為45°的等腰三角形，折痕中有許多平行于底邊的平行線.不過她的這些平行線折痕沒有充分考慮到螺線的等比性.

現(xiàn)在我們用數(shù)學(xué)中等比級數(shù)的概念來設(shè)計，達到更合乎自然界鸚鵡螺的外觀.請先如下列圖9所示裁剪A4紙為兩個箏形.

圖9裁剪出的兩個箏形可以分別獨立制作成兩個鸚鵡螺.以其中一個為例，折痕圖如圖10所示.

這些折痕的產(chǎn)生規(guī)律是這樣的：將箏形的鈍角沿著兩直角間對角線折向?qū)ΨQ軸得到第一條谷線.然后沿著折起的鈍角的兩邊折出兩道山折.此后每次折疊都是折這三道折痕的平行線.到末尾階段可以留一截不再折下去.

在成型階段，需從銳角頂點開始收.將頭上沒有折過的地方剪去，然后按預(yù)先設(shè)計好的山線和谷線來折.形象地說，就是漸漸卷曲使得紙按既定折痕蜷縮成螺的樣子.

這個折法真能更完美體現(xiàn)對數(shù)螺線嗎？

我們不妨來擬合一下這條曲線.先將折紙過程形成的折線繪出.

通過計算機繪圖發(fā)現(xiàn)圖11中的折線與對數(shù)螺線二者的差異是很小的.

需要指出的是，采用半張A4紙作為材料只是考慮取材的方便.您完全可以用其他形狀的箏形紙片來完成形態(tài)各異的螺.

看來，折紙藝術(shù)家布施知子的蝸牛經(jīng)過與數(shù)學(xué)親密結(jié)合變得更加活靈活現(xiàn)了！

3 從二面角到極小曲面

同學(xué)們小時候可能都吹過肥皂泡，而在無數(shù)美妙的肥皂泡背后，其實有著不少的秘密.著名的普拉托物理實驗是把圍成封閉曲線的金屬絲放入肥皂溶液中，然后取出來，由于表面張力的作用，在它上面就蒙有表面積最小的薄膜.這種表面積最小的曲面就是所謂極小曲面，從數(shù)學(xué)上求這膜曲面的問題稱為普拉托問題.

極小曲面的應(yīng)用很廣，無論是小到珠寶設(shè)計，還是大到建筑設(shè)計，都能看到它的身影.

今天，我們會請常博士幫助我們用普通的紙張來折疊組合出一個極小曲面.

我們先從二面角說起，二面角在生活中到處存在，比如墻面總是與地面構(gòu)成90°的二面角.打開的書本可以形成任意的二面角.人字形的坡面屋頂則一般是大于90°的二面角.此外，三維坐標(biāo)系由三張平面（xOy，yoz，xOz）兩兩垂直，形成匯聚在0點的3個90°二面角，在數(shù)學(xué)上，由三個面構(gòu)成的多面角稱為三面角，

圖1就是一個三維立體坐標(biāo)系的紙模型示意圖，它可以用六張正方形的紙折疊插合而成，在這個結(jié)構(gòu)中有八個“三面角”凹陷.

讀者可以拿六張統(tǒng)一大小的正方形紙，照如下步驟折一個這樣的模型.

方法與步驟：

1.取一張正方形紙，上下兩邊對折，再把左右兩邊對折.

2.將一邊紙打開并壓折，背面折法相同，形成一個雙三角結(jié)構(gòu).

3.重復(fù)2中的步驟，再制作五個同樣的雙三角.

4.將兩個插合起來.如圖3顯示，用一個雙三角組合件的一翼插入另一個的一翼之下.

5.在已有的組合結(jié)構(gòu)中添加第三個雙三角.如圖4，新的雙三角要和已有的兩個雙三角形成互相追趕的效果.如：第一個包裹在第二個中，第二個包裹在第三個中，第三個包裹在第一個中.

小貼士：注意不要插太緊，先看清關(guān)系，搭上即可.

6.繼續(xù)增加雙三角到這個結(jié)構(gòu)中，始終注意“A插B，B插C，C插A”的規(guī)律，當(dāng)六個雙三角都插在一起后，形成的圖案如圖5所示.

7.結(jié)構(gòu)雛形出現(xiàn)了，我們用雙手從外圍四面八方向中心輕輕壓，最終就可以形成圖1中那個漂亮的立體三維坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)，

現(xiàn)在我們來思考下面的問題：在這世界上，是否還存在類似圖1的更簡單結(jié)構(gòu)？顯然最少的三面角凹陷應(yīng)該不少于4個，所以首先讓我們試著尋找具有4個三面角凹陷的結(jié)構(gòu).

圖6這個結(jié)構(gòu)便是具備了4個三面角凹陷的最簡結(jié)構(gòu)，它外輪廓是個正四面體，里面有6個鈍角三角形作為連接膜瓣，

如果你拿一個正四面體的鐵絲框架浸泡在肥皂液中，拿出框架后就會發(fā)現(xiàn)同一結(jié)構(gòu)，這說明這個結(jié)構(gòu)還具有某種最優(yōu)特征，數(shù)學(xué)上將肥皂膜形態(tài)稱為極小曲面.

制作一個這樣的紙極小曲面結(jié)構(gòu)，過程比前一個結(jié)構(gòu)還簡單.材料都用不到半張A4紙片.

方法與步驟：

1.先照圖7中示意裁好8片紙片，其中6片是有用的，有2片多余.

2.取其中一片紙片折出如圖8中折痕.其中虛線為谷折，點劃線為山折.

3.再制作5片同樣的插件.

4.按圖9的模式裝配起來.

5.適當(dāng)在插合的地方用些膠水固定，完成.

找到這個結(jié)構(gòu)表明具有凹陷三面角的形態(tài)并不孤立，這使我們有了新的期待：是否還有更多的這樣的結(jié)構(gòu)呢？讀者有興趣可以繼續(xù)探索下去.

4 正十二面體：從制作到理解

正十二面體是一種以正五邊形為面的多面體，這種不尋常的別致多面體數(shù)學(xué)內(nèi)涵非常豐富，柏拉圖曾認(rèn)為我們的宇宙就是正十二面體的，雖然這只是一個美麗的錯誤，但是正十二面體對于普通大眾至今仍充滿神秘色彩.

今天，就讓我們一起和常博士來探索下正十二面體的折法，以及與正十二面體有關(guān)的一個四色問題. （一）制作正十二面體

為了探究正十二面體，我們有必要親手制作一個.顯然，紙模型是最方便的實現(xiàn)方式.

制作正十二面體紙模型的方法很多，這里用組合折紙的方式制作.通過組合拼接而成的結(jié)構(gòu)便于在需要的時候重新調(diào)整各面相對位置.

材料：寬度4～5 cm的平行長紙帶100 cm.

步驟1 制作一個正五邊形的紙帶結(jié)

用長約8倍寬度的紙帶打個結(jié)，輕拉兩端至最緊，壓平（圖2左）.數(shù)學(xué)上可以嚴(yán)格證明這個結(jié)是正五邊形.

步驟2 制作插合正十二面體所需的零件

用長約3倍寬度的紙帶折疊一道折痕，使其形成的內(nèi)角正好符合五邊形紙帶結(jié)的頂角（圖2右）.

折疊后的紙帶重疊區(qū)域有一個以36°為底角的等腰三角形.現(xiàn)在請將它的兩腰以外的紙帶貼著邊折到背后，然后再把底邊以外的部分剪去（圖3）.

打開重新將兩側(cè)翼藏在夾層內(nèi)，并且讓它們在內(nèi)部彼此勾起來，壓平.我們得到了一個有108°頂角的等腰三角形（圖4左）.

折疊找到每一腰所對角的角平分線與該腰的交點，將相應(yīng)銳角折到這個點.可以證明，這兩道折痕與三角形三邊圍成一個正五邊形（圖4右）.

至此我們就完成了第一個插接件.

請再做11個這樣的零件.

步驟3 插合正十二面體

每個三角形插接零件上既有榫頭也有卯眼：兩銳角前端是榫頭，兩腰靠近頂點的縫隙是卯眼.插合時有一定規(guī)則，為了保證這個規(guī)則不被破壞，我們給每個插接件上標(biāo)注一些記號.

作標(biāo)記的規(guī)律：在每片插接件的里側(cè)左下角標(biāo)為紅點榫頭，左腰縫隙標(biāo)為紅點卯眼；相應(yīng)地，右下角為藍點榫頭，右腰縫隙為藍點卯眼（圖5上左）.

插合時只要保證榫頭插入同色的卯眼（圖5上右），就可以順利完成一個完美的正十二面體（圖5下）.

（二）探究正十二面體的著色

關(guān)于地圖的著色有一條著名的定理——四色定理，定理說，任何復(fù)雜的地圖都可以用不超過四種的顏色給它涂色來區(qū)分相鄰區(qū)域，這條定理至今仍然沒有一個簡潔的證法，人類對它的認(rèn)識停留在計算機給出的大規(guī)模分類窮舉證明，

如果將正十二面體的每個面當(dāng)成地圖上需要區(qū)分的一個個區(qū)域，則這個特殊的地圖確乎需要四種顏色才可以完成以上的著色要求（為什么？）.

那么具體怎么著色呢？我們從正十二面體的平面圖來看.

想象一個用橡皮繩拉出的正十二面體籠狀結(jié)構(gòu)，圖6中五邊形外輪廓正是其中一個撐開的正五邊形洞.換個說法，將籠子的一個五邊形洞拉大到可以攤平到桌面的地步，正十二面體就平面化了，必須要記住，這個最大的正五邊形輪廓也代表一個面.

我們通過給每一個面標(biāo)記數(shù)字來表示涂色，

圖6顯示我們將中心標(biāo)記為1，輪廓（代表相對的被拉大的洞眼）標(biāo)記為2.

如圖7，與1號面毗鄰的5個位置選擇任意兩個不相鄰面標(biāo)記為2，哪兩個并無區(qū)別，只要旋轉(zhuǎn)就可以統(tǒng)一為圖9的樣子，

內(nèi)圈還有3塊區(qū)域，需要另用3，4來標(biāo)記，其中涂色方法之一如圖8所示.

內(nèi)圈涂好色后，我們發(fā)現(xiàn)外圈中有一塊（圖9中正上方一塊標(biāo)記為1）是可確定下來的，然后緊接著剩下的4塊也被唯一確定，

我們只是給出了其中一種方案，事實上，在數(shù)學(xué)上可以證明全部的著色方案只有4種.限于篇幅，在此就不贅述了，留給好奇的讀者去探索吧！