Теорема оригамі про вирізання многокутника
Теорема оригамі про вирізання многокутника стверджує, що завжди можна так скласти аркуш паперу, що будь-який многокутник, намальований на ньому (можливо не опуклий), можна отримати одним прямолінійним розрізом[1]
Теорема находить застосування в оригамі. Патерном в оригамі називають набір ліній і відрізків, що вказують на те, як згортати папір з кресленнями, щоб отримати задану форму. Слід звернути увагу, в якому напрямку рухається папір, при згині — лінія згину наближається до нас, чи навпаки віддаляється. Кажемо, що складка має назву гора, якщо лінія перегину наближається, і долина, якщо віддаляється.
Приклад[ред. | ред. код]
Послідовність основних кроків для вирізання однією лінією на прикладі багатокутника у вигляді фігури лебедя:
|
- Потрібно роздрукувати шаблон (паттерн). На малюнку позначені лінії «долина» — червоним кольором, лінії «гора» — блакитним.
- Усі лінії намічаються у потрібному напрямку: «долина» — до себе (лінія згину віддаляється), «гора» — від себе (лінія згину наближається). За межі намальованих ліній виходити не можна. Показаний згин «гора».
- Паттерн з усіма наміченими лініями.
- За усіма наміченими лініями проходить згин таким чином, щоб отримати одну лінію.
- За цією лінією робиться розріз.
- Обидві частини розгортаються. З аркушу паперу вирізаний лебідь, і отвір у аркуші лише у формі лебедя. Залишок аркушу цілий.
Теорема оригамі про вирізання многокутника фактично стверджує, що завжди можна створити паттерн, з якого можна отримати задану фігуру, розрізанням лише по одній лінії. Для цього існують різні методи, які наведені нижче.
Доведення теореми у випадку трикутника[ред. | ред. код]
Нехай потрібно отримати паттерн для вирізання по одній прямій заданого трикутника. Проведемо бісектриси та із точки їх перетину опустимо перпендикуляри на сторони трикутника. По цим прямим і будемо складати аркуш паперу. Усі сторони трикутника опиняються на одній прямій. Уздовж неї відбувається прямолінійний розріз. Таким чином буде отримано у відрізаній частині шуканий трикутник, а на аркуші, з якого вирізали, буде відповідний отвір у вигляді заданого трикутника.
Прямий скелетний метод[ред. | ред. код]
Ерік Демейн, Мартін Демейн[en] і Анна Лубів[en] розв'язували задачу «розрізу і згинання» за допомогою прямолінійного скелету. Ця структура визначається (приблизно) наступним чином. Для кожної грані бажаної схеми розрізу (область між розрізами), зменшуємо сторону так, щоб краї залишалися паралельно і рухалися з постійною швидкістю в перпендикулярному напрямку. Зупиняємося, коли границя перетинає себе, й продовжуємо зменшувати кожну частину. Прямий скелет — це траєкторія руху вершин бажаного паттерну розрізу під час цього процесу зменшення. Прямолінійний скелет складається з більшості згинів і досягає бажаного «вибудовування в ряд» розрізів. Взагалі, з кожної вершини прямолінійного скелету проводять промінь, який перпендикулярний кожному досягнутому краю розрізу, промінь відбивається від будь-якої грані, що зустрічається.
Складною частиною є доказ того, що прямолінійний скелет згину разом з підмножиною перпендикулярних згинів (і декількома допоміжними згинами) може бути складено в пласке оригамі. Це робиться через показування положень складання, тобто за допомогою того, як шматочки паперу виглядають, коли складаються. Цей стан складання повинен задовольнити такої властивості: кожна сторона зберігає ізометрію і папір не повинен перетинати себе.
Найбільш детальний опис цього — книга «Геометрія алгоритмів складання: з'єднання, оригамі, багатогранники» Еріка Демейна і Джозефа О'Рурка[en].
Також цю проблему розглядав Роберт Ленг. Власне кажучи, він намагається згорнути многокутник в спеціальну згорнуту форму, але звертається лише до опуклих многокутників, у той час, коли метод прямолінійного скелету зосереджується на розгортанні форми й звертається до неопуклих й незв'язних многокутників.
Метод пакування диска[ред. | ред. код]
Маршал Берн, Девід Енштайн, Баррі Хайес і Ерік Демейн розв'язували задачу «розрізу і згинання» використовуючи пакування диска. А саме розміщували диски на частині паперу так, що:
- Диски не заходять один на одного (але можуть торкатися);
- Проміжки між дисками мають або три, або чотири боки;
- Є диск з центром у кожній вершині бажаної схеми розрізу;
- Краї бажаної схеми розрізу — об'єднання радіусів дисків.
Внаслідок цього, можна розкласти бажаний паттерн розрізу за допомогою ребер між центрами дисків, що торкаються. Результатом цього є колекція трикутників і чотирикутників. Після цього потрібно скласти усі ці трикутники і чотирикутники використовуючи точки, що вибудовуються у ряд по границі трикутників і чотирикутників. Це головна ідея — пара особливостей, необхідних за для того, щоб показати, що точки можуть бути з'єднані разом. Подальша особливість полягає в тому, щоб показати, що тільки бажані лінії такі, що проходять разом на загальній лінії.
Найбільш детально це описано у книзі «Геометрія алгоритмів складання: з'єднання, оригамі, багатогранники». «Методи пакування диска для магії оригамі» також описують детально методи, але вона має маленькі проблеми. Сама остання версія включає деякі спрощення і з'явилася в працях Третьої міжнародної зустрічі наукового оригамі, математики й освіти. Оригінальна версія була опублікована в працях Міжнародної конференції веселих алгоритмів.
Див. також[ред. | ред. код]
Примітки[ред. | ред. код]
- ↑ Demaine, Erik D.; Demaine, Martin L. (2004), Fold-and-Cut Magic, Tribute to a Mathemagician, A K Peters, с. 23—30, архів оригіналу за 3 липня 2014, процитовано 9 квітня 2014.
Посилання[ред. | ред. код]
- Аксіоми оригамі [Архівовано 13 лютого 2022 у Wayback Machine.] (англ.)
- Сайт Еріка Демейна [Архівовано 5 квітня 2014 у Wayback Machine.] (англ.)
- Проблема згину та розрізу [Архівовано 11 березня 2017 у Wayback Machine.] (англ.)
- Згин та розріз паперу [Архівовано 2 квітня 2013 у Wayback Machine.] (англ.)