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九章格数学 PhiloMath · 数学游戏工坊

剖分万象

平面上形状不同、面积相同的简单直边形,剖分等价 —— 华勒斯-波埃伊-格维也纳定理

七步证明 从画图到互拼,每一步都看得见

STEP 01 / 07

画下两个不一样的图形

刘徽 ·「出入相补」

在左右画板依次点出顶点,点击起点或“闭合图形”完成。边不能交叉,可以画凹多边形。

图形 A等待绘制
图形 B等待绘制
试试画出一个十字形,再画一个三角形。

玩法 一分钟上手

  1. 分别画出两个简单多边形,程序自动等比例缩放到相同面积。
  2. 从间隔一个顶点的合法对角线开始,逐个切下三角形。
  3. 按 a、b、c 三种出入相补方式之一,把每个三角形变成长方形。
  4. 借助直角三角形关系,把各长方形割补成等面积正方形。
  5. 任选两个正方形,按刘徽图示合并;持续加入其他正方形。
  6. 将两层正方形半透明重叠,从四角向切割网络注入水银色;碎块散开停留 3 秒后重新拼合。
  7. 使用对方的逆向路径:左侧拼成 B,右侧拼成 A。最大的 30 组碎块在几何重心显示相同编号。

切割之后,每一块都只平移或旋转。动画中短暂交叠表示搬运途中的位置,不代表面积改变;可以暂停、拖动进度,或重播任一步。

电脑用鼠标,手机与平板用点按和双指缩放;横屏左右对照,窄屏上下排列。键盘依次按 Tab 选中画板,Enter 闭合图形、Backspace 撤销顶点。

历史脉络 从刘徽到希尔伯特

刘徽 · 青朱出入图 263 年 ·《九章算术注》勾股章

刘徽注《九章算术》,以「出入相补」原理将青方、朱方互移互补而合成弦方。本工坊的「刘徽模式」(任意两个正方形剖分等价于一个正方形)即源于此图。

华勒斯-波埃伊-格维也纳定理 Wallace–Bolyai–Gerwien · 1807–1835

华勒斯(W. Wallace,1807)、波埃伊(F. Bolyai,1833)、格维也纳(P. Gerwien,1835)相继独立证明:平面上任意两个面积相等的简单多边形剖分等价——切成有限块,仅凭平移与旋转即可互相拼成。这正是本工坊演示的全部数学。

希尔伯特第三问题 1900 · 巴黎数学家大会

平面上「等积即可剖分互拼」启发了希尔伯特:他将三维对应命题列为 23 个问题之第三;同年 Dehn 构造不变量,证明等体积多面体并非剖分等价。「Hilbert 模式」(任意矩形剖分等价于正方形,《几何原本》II.14 的古老课题)因这一渊源得名。

来源与改编 主题与三角形、长方形、刘徽合方及共同细分图示依据本任务提供的素材;界面采用九章格数学深蓝金主题,黄、红、橙、湖绿、紫五色用于区分两侧图形与对应碎块。

原始体验:Dima Smirnov 与 Zivvy Epstein 的 Scissors Congruence;本版重新实现几何计算与动画记录,补充两方合一、共同细分与严格逆推。

延伸参考:滑铁卢大学:勾股定理动画;明尼苏达大学:勾股面积证明。参考只用于理解运动方式,本程序按用户绘制的尺寸重新计算。

欧几里得《几何原本》第一卷第 47 命题给出勾股定理;刘徽原图并未完整传世,这里依照复原示意实现。