两两接触的等粗且无限长的圆柱体

    大家在吃饭喝酒时是否注意到了这样的事情:三个人碰杯时,每个人的杯子都能同时和其他两个人的杯子相接触,很完美;但是四个人碰杯时,任一时刻总会有两个人碰不到杯,非常尴尬。有一次和三个好朋友吃饭,四人碰杯时又发生了这种尴尬的情况,突然有一个人异想天开,把他的杯子放到了另外三个杯子的上面,从而实现了四个杯子两两接触!我们自然引出了这样一个问题:如果 n 个全等的圆柱体两两相接触,则 n 最大是多少?

      

    对于不同形状的圆柱体,答案可能是不一样的。 Martin Gardner 在 Hexaflexagons and other mathematical diversions 一书中提到,我们可以精巧地摆放 5 枚硬币,使得它们两两相接触,如上图所示(注意,最底下还藏着一枚硬币)。同时, Martin Gardner 问到,能否摆放 6 支香烟让它们两两接触?一个经典的答案如下:

      

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怎样把一个钝角三角形分成若干个锐角三角形

    这是我最喜欢的几何谜题之一:你能否在纸上画一个钝角三角形,然后把它分割成若干个锐角三角形?令人难以置信的是,这竟然是可以办到的!继续看下去之前,大家不妨先自己想一会儿。

      

    每次我在课堂上提出这个问题的时候,学生们总会疯狂而盲目地进行尝试。根据我的观察,绝大多数人都会先画一个不那么钝的钝角三角形(其实这本质上并不会简化我们的问题),然后作出一系列类似于图 1 的尝试,但最后都以失败告终。此时我往往会反复强调:要有方法啊,要有方法!首先,想必很多人已经注意到了,我们必须在钝角里引出一条线(如图 2 所示),这样才能把钝角给消除掉。接下来,则是很少有人意识到的一点:我们不能让这条线一直延伸到对边,否则原三角形将会被分成一个锐角三角形和一个钝角三角形(或者两个直角三角形),这并不能解决根本问题。也就是说,这条线在到达对边前就必须得分岔。最后一个关键的问题就是,分成几岔?显然,分成三岔(如图 3 所示)是不够的,因为这样只能把一个周角分成四份,它们不可能都是锐角。为了让所有的角都是锐角,我们至少要让这条线分成四岔(如图 4 所示)。最后,再把一些没有连起来的点连起来,我们就得到一个像模像样的答案了(如图 5 所示)。

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一个与球内接多面体体积有关的问题

    在所有周长相等的长方形中,正方形拥有最大的面积;在所有周长相等的平面图形中,圆拥有最大的面积;在所有表面积相等的长方体中,正方体拥有最大的体积;在所有表面积相等的立体图形中,球拥有最大的体积。所有这类问题的答案都是越对称的图形越好吗? George Pólya 在 Mathematical Discovery 一书中的第 15 章里举了下面这个例子。

    在给定圆周上选取四个点构成一个四边形,那么正方形的面积一定是最大的吗?答案是肯定的。只要有哪个点不在相邻两点之间的圆弧的中点处,我们都可以把它移动到这段圆弧的中点处,使得整个图形的面积变得更大。好了,我们现在的问题是,在球面上选取八个点构成一个顶点数为 8 的多面体,那么正方体一定是体积最大的吗?

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