拍案惊奇，原来折纸背后的数学如此强大

一张白纸，不剪不裁，却能折出无数变化。有时候尺规作图无法完成的任务，折纸却能解决。为什么它能有如此多变化呢？这还要从折纸对应的几何操作说起了。 折纸几何公理 1991 年，日裔意大利数学家藤田文章（Humiaki Huzita） 指出了折纸过程中的 6 种基本操作，也叫做折纸几何公理。假定所有折纸操作均在理想的平面上进行，并且所有折痕都是直线，那么这些公理描述了通过折纸可能达成的所有数学操作： 1. 已知 A 、 B 两点，可以折出一条经过 A 、 B 的折痕 2. 已知 A 、 B 两点，可以把点 A 折到点 B 上去 3. 已知 a 、 b 两条直线，可以把直线 a 折到直线 b 上去 4. 已知点 A 和直线 a ，可以沿着一条过 A 点的折痕，把 a 折到自身上 5. 已知 A 、 B 两点和直线 a ，可以沿着一条过 B 点的折痕，把 A 折到 a 上 6. 已知 A 、 B 两点和 a 、 b 两直线，可以把 A 、 B 分别折到 a 、 b 上 容易看出，它们实际上对应着不同的几何作图操作。例如，操作 1 实际上相当于连接已知两点，操作 2 实际上相当于作出已知两点的连线的垂直平分线，操作 3 则相当于作出已知线段的夹角的角平分线，操作 4 则相当于过已知点作已知线的垂线。真正强大的则是后面两项操作，它们确定出来的折痕要满足一系列复杂的特征，不是尺规作图一两下能作出来的（有时甚至是作不出来的）。正是这两个操作，让折纸几何有别于尺规作图，折纸这门学问从此处开始变得有趣起来。 更有趣的是，操作 5 的解很可能不止一个。在大多数情况下，过一个点有两条能把点 A 折到直线 a 上的折痕。 操作 6 则更猛：把已知两点分别折到对应的已知两线上，最多可以有三个解！ 一组限定条件能同时产生三个解，这让操作 6 变得无比灵活，无比强大。利用一些并不太复杂的解析几何分析，我们能得出操作 6 有三种解的根本原因：满足要求的折痕是一个三次方程的解。也就是说，给出两个已知点和两条对应的已知线后，寻找符合要求的折痕的过程，本质上是在解一个三次方程！ 尺规作图到底局限在哪里 相比于折纸的几何操作，尺规作图就显得有些不够“强大”了。不妨让我们先来回顾一下尺规作图里的五个基本操作： 过已知两点作直线 给定圆心和圆周上一点作圆 寻找直线与直线的交点 寻找圆与直线的交点  寻找圆与圆的交点 这5项操作看上去变化多端，但前3项操作都是唯一解，后两项操作最多也只能产生两个解。从这个角度来看，尺规作图最多只能解决二次问题，加减乘除和不断开方就已经是尺规作图的极限了。能解决三次问题的折纸规则，势必比尺规作图更加强大。 正因为如此，一些尺规作图无法完成的任务，在折纸几何中却能办到。比如折纸法可以实现作正七边形，而这是无法用尺规作图办到的。 我们有更简单的例子来说明，用折纸法能完成尺规作图办不到的事情。“倍立方体”问题是古希腊三大尺规作图难题之一，它要求把立方体的体积扩大到原来的两倍，本质上是求作 2 的立方根。由于尺规作图最多只能开平方，因而它无法完成“倍立方体”的任务。但是，折纸公理 6 相当于解三次方程，解决“倍立方体”难题似乎是游刃有余。 有意思的是，用纸片折出 2 的立方根比想象中的更加简单。取一张正方形纸片，将它横着划分成三等份（方法有很多，大家不妨自己想想）。然后，将右边界中下面那个三等分点折到正方形内上面那条三等分线上，同时将纸片的右下角顶点折到正方形的左边界。那么，纸片的左边界就被分成了 3√2 : 1 两段。 利用勾股定理和相似三角形建立各线段长度的关系，我们不难证明它的正确性。强烈建议大家自己动笔算一算，来看看三次方程是如何产生的。 第7个折纸公理 本文写到这里，大家或许以为故事就结束了吧。 10 年以后也就是 2001 年，事情又有了转折： 数学家羽鳥公士郎（Koshiro Hatori）发现，上述的 6 个折纸公理并不是完整的。 他给出了折纸的第 7 个定理。从形式上看，第 7 公理与已有的公理如出一辙，并不出人意料，很难想象这个公理整整十年里竟然一直没被发现。继续阅读之前，大家不妨先自己想想，这个缺失的操作是什么。这段历史背景无疑让它成为了一个非常有趣的思考题。 补充的公理是： 7. 已知点 A 和 a 、 b 两直线，可以沿着一条垂直于 b 的折痕，把 A 折到 a 上。 后来，这 7 条公理就合称为了藤田－羽鳥公理（Huzita–Hatori 公理），你可以在