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正方形的分割问题举例

正方形的分割问题,是组合几何里面比较有难度的问题。这里面,有很多引人入胜的专题:比如完全正方形、正方形等积三角形分割、正方形分割再拼接、多个正方形分割后再拼接成一个大正方形等问题。        下面简单介绍一下相关内容。
工具/原料
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电脑

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互联网

正方形分割成等积三角形
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正方形能够分割成两个、四个、六个、……、2n个面积相等的三角形,这个过程称为正方形的等积三角形分割。        可以先把正方形沿对角线分成两个面积相等的三角形,再把每一个三角形等积分割为n份;还可以把正方形分割为n个全等的长方形,再沿对角线把每一个正方形分成两份;……;方法实在很多。

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正方形不能分割成奇数个面积相等的三角形。这是一个很难的问题,但相比于完全正方形却又简单得多,至少可以人工证明。        1965年,Richman在《美国数学杂志》上提出猜想——正方形不能分割成奇数个面积相等的三角形。5年后,Paul Monsky证明了这个猜想,因此,相关理论又被称为Monsky理论。END

正方形分割再拼接
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把正方形分割成五份,再拼接成一个正三角形。其中一个方法是如下:正方形边长AB=a, AP=r·a(r 等于四次根号3);PQ//EF交AD于Q;BE//AP交直线DC于E;BF⊥AP于F,且B是F、G的中点;EF交BC于K;在BE上取点M,使EM=PF;连结线段GM,并取点N,使MN=PC;NH⊥GM,交GE于H。        此时,可以证明,△EFG是正三角形,FK=EH,PQ=EK=HG。        事实上,分割成四块,就可以拼出一个正三角形,详见《三角形分割问题举例》。于是,在此基础上,把其中某一份分割成两份,整体上就是五份!        因此,把正方形分割成五份,再拼接成一个正三角形的分割方法是无限多的!2三角形分割问题举例

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把正方形改拼成一个正五边形。        看图看步骤:正五边形AEFGH和正方形ABCD;把△EFG移动到△HGL,M是线段HL中点;过M作AE的平行线,与直线EG、HA分别交于N、J;JK是平行四边形AENJ在边JA上的高;JI=BC=Sqrt【JA·JK】是正方形ABCD的边长;△GOQP≅△HJMY,且△OPQ≅DUT;△ERS≅HYZ,△IZG≅△AVW;IBAE≅JCDX,FOQRS≅YMNGZ≅WXTUV。        上面的符号“≅”表示全等。END

全等正方形分割再拼接成大正方形
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三个全等的小正方形分割成若干份,再拼接出一个大正方形。        方法一:        这个方法,是由10世纪的阿拉伯数学家Abul  Wefa解答的。他的方法是把其中两个正方形各分成四份,第三个正方形不用动!总共是分割成了9份。        具体的步骤不多介绍,如下面的动态图,一看就明白!

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方法二:在GF延长线上截取点D,使得GD=GB;连结HD交BF于A;在HG上截取N,使得HN=BA;作NM//HD交GF于M;作BE//HD交直线GF于E;BK⊥HD于K,EZ⊥HD于Z;三等分线段BE和KZ,产生三个小正方形;EQ=GM。        可以发现,各部分只要平移就行。这个方法,把小三角形们分割为7份。

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方法三:把三个正方形排到一起,如下图进行分割;把△ABC平移到△EFD的位置;把△BEG平移到△CFH的位置,成功。        你数数原来的三个正方形被分割成了多少份!答案是6份,其中仍旧有一个小正方形没动过。

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把两个全等的正方形改拼为一个正方形:给定大正方形ABCD;作出正方形ABCD各边中点E、F、G、H;依次连结EF、FG、GH、HE,并取各边中点M、N、P、Q;连结AM、BN、CP、DQ。        好了,现在能拼出两个正方形了。

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五个全等的正方形,分割以后,拼成一个大正方形。        看下图:给定大正方形ABCD;作出各边中点E、F、G、H;依次连结AF、BG、CH、DE;这四条直线围成正方形 I J K L。        现在,你能拼成五个小正方形吗?

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十个全等的正方形组成两个十字形,把一个分割成四份,拼接到另一个上面,组成一个大正方形。        这个问题曾经是中央电视台的一期中学生智力竞赛里面的题目,有趣的是,所有考生都没有做出这个问题,全军覆没!具体原因,大概是时间太紧迫,没有思考的空隙!        具体的步骤如动态图,看了就懂。END

注意事项
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关于正方形的等积三角形分割问题,只找到少许资料,而且采用了非常抽象的赋值函数进行研究,我目前还看不懂具体的证明过程。

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关于正方形的改拼问题,一部分来自互联网,主要的另一部分来自一本书《世界著名平面几何经典著作钩沉几何作图专题卷》,这本书确实不错,是一部不同数学家成果的合集,值得收藏和阅读。

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正方形不仅可以改拼成正三角形,而且可以改拼成2个、3个、4个、……、n个正三角形。在上面推荐的书里都可以看到。

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正方形不仅可以改拼为正三角形、正五边形,还可以改拼成正六边形、平行四边形、梯形、任意三角形、任意四边形。

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正方形可以改拼出任意多个全等的正方形,因为任意矩形、平行四边形都可以改拼成正方形。

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我们需要思考的是:改拼的时候,怎么分割,才能使分割的份数最少?

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能否用初等数学方法证明:正方形不可能分割为奇数个面积相等的三角形!

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