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Wallace-Bolyai-Gerwien 定理

2022-09-28 00:16 作者:我恨PDN定理  | 我要投稿

今天我們要介紹的定理,也是一個名字冗長的定理,由于沒有在百度上找到官方詞條,我去維基百科那里,找到了關于這個定理的介紹:

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當然還有英文版本:

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乍看到這個定理,我想到了以前講過的PDN和庫利奇大上定理,但是那兩個定理都需要使用代數(shù)的數(shù)學工具,而這個定理看起來無從下手,實際上非常淺顯;
為了證明這個定理,我們需要作出以下幾個鋪墊:
引理一:任意多邊形都可以分割為若干個互不重疊的小三角形
在凸四邊形的時候,這個引理是顯然的,只需要從一個頂點出發(fā),連接剩余頂點即可,如下圖中藍色線段:

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在凹四邊形時,我們需要定義,如果某一點處的內角度數(shù)大于180°,成這個點為“凹點”
由此,只需要將凹點配對連接至沒有凹點或有1個凹點時,將凹點兩側的連通區(qū)域分開討論,再將剩余的凹點與連通區(qū)域內任意兩個相鄰的頂點相連,即可使所有的凹點變?yōu)椤巴裹c”,從而回到凸四邊形情況;

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折多邊形時,只需要將邊相交產生的點作為圖形新頂點,分割成的連通區(qū)域分別討論,即可回到凹四邊形和凸四邊形的情況;

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至此,引理一證畢;
引理二:任意三角形都可轉化為面積相等的一個矩形
這個定理幾乎是顯然的,取銳角三角形(如果不是銳角三角形,就將它轉化為等底等高的銳角三角形)的中位線,作垂線后相互配對即可,如下圖所示:

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引理三:任意矩形都可轉化為與其面積相等的矩形
這個命題也是顯然的,按照下圖所示方法,將兩個矩形疊放在一起,做配對即可;

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回到原命題,首先對于任意一個多邊形,我們將其轉化為了若干個三角形(引理一)
其次,我們將這些三角形轉化為若干個矩形(引理二)
再其次,取一段長度作為公共寬,將這些矩形轉化為寬均為公共寬的矩形(引理三)
請注意,這個過程是可逆的,我們要轉化的這個多邊形,同樣可以轉化為一個矩形,與上面過程類似,然而,這兩個大矩形的面積相等,故可以由一個轉化為另一個(引理三),所以命題證畢

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可能有一定的理解難度,但如果你想明白了,這個定理將是非常具有操作性和神秘性的定理,至于這個定理有什么實際用途呢?我不知道,希望大家可以集思廣益

另注:本篇中的“操作”是指經過有限次的剪裁拼接

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