大多数人不会想到,用纸折个甜甜圈形状,居然要严谨的数学证明才能算清楚要折几下。不过,直到最近,也没人能完全搞明白这事儿。
数学家理查德·埃文·施瓦茨在《美国国家科学院院刊》上发表了一篇新论文,详细证明了用一张纸折出环面(也就是甜甜圈的学名)最少需要折几次,这个“底线”到底在哪儿。
追求最少顶点数
实际操作中,折纸环面就是把有限个三角形折出来再拼一块儿,拼的时候得保证每个顶点周围的三角形角度加起来正好是2π(也就是360度)。
更直观的理解方式是,想象把每片披萨尖上的角加起来,拼成整个披萨。施瓦茨在论文里解释说,顶点的数量可以当作衡量效率的一种标准。
他写道:“跟很多数学问题一样,你可以用优化的眼光来看待纸环面。既然它们存在,那做起来能有多高效?我不知道这问题最早是啥时候有人问的,但除了它们确实存在之外,这好像是大家最先想搞明白的事儿之一。
“顶点数量就是个很好的效率衡量标准。(这跟问三角剖分里最少要几个三角形,或者你最少要折几条边,是一回事。)”
早期纸环面的例子由数千个顶点组成,而最近的例子证明,折纸环面可以用十个或九个顶点制成。施瓦茨表示,纸环面显然至少需要七个顶点,因为少于七个顶点的环面三角剖分并不存在。尽管如此,这仍留下了最小值究竟是七、八还是九的问题。
证明最有效的可能构造
施瓦茨结合数学分析和计算机实验发现,仅用七个顶点构造纸环面是不可能的。他还发现,具有八个顶点的折纸环面确实存在,这样一来,它就成了最高效的构造方式。他的论文提供了数学证明和计算机辅助方法,以找到八顶点解。
尽管施瓦茨是一位技艺高超的数学家(他还确定了最短的莫比乌斯带),但他老实说,自己其实折不出这个甜甜圈形状。他管这种形状叫“小帐篷”,这说的是一类有特定特征的例子,八顶点的纸环面得达到这些要求才算数。
他写道:“有些读者可能想亲手制作一个三角帐篷。我的文章里附有一个模板链接,你可以复制下来,花点力气,就能把它折成个三角帐篷。我得承认,我自己没法成功折好这个模板,但我那些擅长折纸的朋友能轻松做到。”
尽管对非数学专业人士来说,这可能觉得没啥关系,但这类工作能为建筑、材料科学和艺术中的高效设计提供启发,尤其是在需要尽量少折叠或简化构造的地方。它也可能作为一种教育工具,有助于教授几何学及其与艺术的联系。
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