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平面铺砌问题已经被很多数学家研究了近一百年,并取得了不少的成果,如:凸n边形(n≥7)不可能铺砌平面。具体的证明,请看下面这篇文章。
我们不考虑非凸的多边形,因为非凸多边形铺砌问题过于复杂,而且可行方案也很多。比如下图:凹十二边形铺砌平面。
Reinhardt当年还给出了五种能够铺砌平面的凸五边形。 1968年, Kershner另外三种凸五边形。 1975年,美国数学家Martin Gardner在《科学美国人》的“数学游戏”专栏里写了一篇文章——《论用凸多边形铺砌平面》,把这八种凸五边形列举出来了。下面介绍一下这八种凸五边形。 我们有必要认识一下马丁·加德纳!
第一种情形:A+B+C=360°。
第二种情形:A+B+D=360° & AE=CD。
第三种情形:A=C=D=120° & AE=AB & CD=BC+DE。 这样三个全等的凸五边形,恰好能够组成一个正六边形。
第四种,如:A=C=90° & AE=AB & BC=CD。
第五种情形的边、角度关系:A=60° & C=120° & AE=AB & BC=CD。
第六种是:A+B+D=360° & A=2C & AE=AB=DE & BC=CD。
第七种情形的边和角的关系如下:2B+C=2D+A=360° & AE=AB=BC=CD。
第八种情形如下:2A+B=2D+C=360° & AE=AB=BC=CD。 Kershner当时断言:能够铺砌平面的凸五边形,只有这八种。
Kershner的断言提出不久,计算机学家Richard James Ⅲ发现了一种新的凸五边形可以铺砌平面,其边和角满足:A=90°,B=102°,C=129°,D=141°,E=78°,AE+AB=BC+DE; 或A=B=E=90°,C=D=135°,AE=AB=2BC=2DE。 1975年12月,马丁·加德纳把这一结果发表在《科学美国人》上。
很快,数学家D·Schattschneider指出,Richard James发现的凸五边形应该归属于第九种(继前面提到的八种之后):A=90°,B+E=180°,2D-B=180°,2C+B=360°,AE=AB=BC+DE。
Marjorie Rice在读她儿子订阅的杂志的时候,巧遇了马丁·加德纳的这篇文章,然后她就被深深地吸引住了——她说,去寻找新的五边形,那该是多么有趣的事情啊! 当她专心致志地研究该问题的时候,竟然自创了一种专用符号(看下面的截图),使得观察图形的时候,方便了很多。
1976年2月,Marjorie发现了一种新的五边形,它满足:2E+B=2D+C=360°,EA=AB=BC=CD。
Marjorie经过实践操作发现,同一种凸五边形可能有多种铺砌法。她在综合考察这前十种满足要求的凸五边形以后,找到了58种铺砌方法。 下图,就是第一种凸五边形的另一种铺砌方法:
1976年12月27日,Marjorie找到了两种新的凸五边形可以铺砌平面。其中一种是:D=90°,B+E=180°,2A+E=360°,2C+B=360°,AE=AB,2DE+BC=CD。
另一种新的凸五边形的边角关系是:D=90°,B+E=180°,2A+E=360°,2C+B=360°,AE+BC=AB,2DE=AB。 这两种新的凸五边形,其实是把能够铺砌平面的“双六边形”裁切称为全等的四个凸五边形。
沉寂了近一年,Marjorie于1977年12月发现了第十三种,这次她裁切的是“双七边形”。 边角关系如下:B=E=90°,2A+D=360°,2C+D=360°,2DE=2AE=CD。
思考以下问题:凸五边形能够铺砌平面的充要条件是什么?
听说,截止现在(2017年1月16日),人们已经找到了15种能够铺砌整个平面的五边形,你如果稀罕这类图形,不妨去找一找。(我没找到最后两种!)
图片的字母排版时过于繁琐,如果有错误,请指正。