趣题:切完大饼和蛋糕,让我们切一切甜甜圈

我正在餐桌前吃早餐。餐桌上有一张圆形的大饼,有一个方形的蛋糕,还有一个甜甜圈。我依次思考了下面三个问题。你能帮我想出它们的答案吗?

  • 3 刀切一张圆形的大饼,最多能把它分成多少块?或者说,3 条直线最多能把一个圆盘分成多少个区域?
  • 4 刀切一个方形的蛋糕,最多能把它分成多少块?或者说,4 个平面最多能把一个正方体分成多少个区域?
  • 3 刀切一个甜甜圈,最多能把它分成多少块?或者说,3 个平面最多能把一个(实心的)环面分成多少个区域?

提示:上一个问题的答案总会为下一个问题提供线索。

Read more…

怎样把一个立方体分成 54 个小立方体?

大家或许都听说过一个与正方形剖分相关的非常经典的问题:对于哪些正整数 n ,我们可以把一个正方形分割成 n 个小正方形(允许出现大小相同的小正方形)?答案是,除了 n = 2, 3, 5 以外,对于其他所有的 n ,把一个正方形分割成 n 个小正方形都是有可能的。对于 n = 1, 4, 6, 7, 8 的情况,分割方案如下图所示:

对于更大的 n 呢?注意到,每次用横竖两条线把一个小正方形分成四个更小的小正方形后,我们都会让这个图形里的正方形数目增加 3 个。因此,我们只需要在 n = 6 的方案上增加两笔,就能得到一个 n = 9 的方案;只需要在 n = 7 的方案上增加两笔,就能得到一个 n = 10 的方案;只需要在 n = 8 的方案上增加两笔,就能得到一个 n = 11 的方案;只需要在 n = 9 的方案上增加两笔,就能得到一个 n = 12 的方案……于是,其他所有的情况都被我们解决了。

Read more…

Keller 猜想与 12 维空间中的神构造

在各种令人惊讶的数学事实当中,我最喜欢的类型之一便是,某个数学命题在二维空间、三维空间甚至四维空间当中都是成立的,但偏偏到了某个维度时,命题就不成立了。 Keller 猜想就是一个这样的例子。

同样大小的正方形平铺整个平面(比如像下图那样),则一定存在某些边与边完全贴合的相邻正方形。

类似地,同样大小的正方体平铺整个空间(比如像下图那样),则一定存在某些面与面完全贴合的相邻正方体。

1930 年, Ott-Heinrich Keller 猜测,或许这一点对于更高维度的空间都是成立的。也就是说, Ott-Heinrich Keller 猜测,对于任意正整数 n ≥ 2 都有,同样大小的 n 维立方体平铺整个 n 维空间,则一定有两个面与面完全贴合的相邻 n 维立方体。这就是著名的 Keller 猜想。

1940 年, Oskar Perron 证明了,当 n = 2, 3, 4, 5, 6 时, Keller 猜想确实是正确的。一切似乎都在正轨上。然而,到了 1992 年的时候,事情出现了转折: Jeffrey Lagarias 和 Peter Shor 构造了一个 n = 12 时的反例,从而推翻了 Keller 猜想。让我们来看一看 Lagarias 和 Shor 的神构造吧。为了方便起见,下面我们直接用“立方体”一词指代 n 维的广义立方体,“立方体的面”则代表 n 维立方体的 n – 1 维面。

Read more…