前6个公理又叫做藤田公理,公理7由羽鸟公士郎发现,贾斯汀和罗伯特·朗(Robert J. Lang)也同样发现了公理7。7条公理如下:
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且仅有 一条折痕同时过这两点。
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且仅有一种方法把
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
p
2
{\displaystyle p_{2}}
上。
给定两直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以把
l
1
{\displaystyle l_{1}}
折到
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。
给定一点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和一条直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,有且仅有一种方法过
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折出
l
1
{\displaystyle l_{1}}
的垂线。
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和一条直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,可以沿过
p
2
{\displaystyle p_{2}}
的直线将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和两直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以一次将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
、
p
2
{\displaystyle p_{2}}
分别折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
、
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。
给定一点
p
{\displaystyle p}
和两直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以沿着
l
2
{\displaystyle l_{2}}
的垂线将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
公理5可能有最多2个解,公理6可能有最多3个解,而尺规作图 的公理最多只有两个解。所以,折纸的作图能力要强于尺规作图。就是说,尺规作图相当于在解二次方程,而折纸几何相当于解三次方程。因而诸如三等分角 、倍立方 等尺规作图无法解决的问题却可以用折纸几何解决。但是公理6在实践中需要将纸“滑动”,这其实相当于二刻尺作图 ,这在标准的尺规作图中是不被允许的。
罗伯特·朗证明了这七个公理已经是折纸几何的全部公理了。
公理 1
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且仅有 一条折痕同时过这两点。
以参数方程表示的话,过2点的直线可以表示为:
F
(
s
)
=
p
1
+
s
(
p
2
−
p
1
)
.
{\displaystyle F(s)=p_{1}+s(p_{2}-p_{1}).}
公理 2
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且仅有一种方法把
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
p
2
{\displaystyle p_{2}}
上。
这条公理相当于是作线段
p
1
p
2
¯
{\displaystyle {\overline {p_{1}p_{2}}}}
的垂直平分线 。这可以通过以下四个步骤完成:
使用公理1 作出连结
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
的直线
P
(
s
)
=
p
1
+
s
(
p
2
−
p
1
)
{\displaystyle P(s)=p_{1}+s(p_{2}-p_{1})}
找到直线
P
(
s
)
{\displaystyle P(s)}
的中点
p
m
i
d
{\displaystyle p_{mid}}
找到垂直于
P
(
s
)
{\displaystyle P(s)}
的向量
v
p
e
r
p
{\displaystyle \mathbf {v_{perp}} }
折痕的参数方程 表示为:
F
(
s
)
=
p
m
i
d
+
s
⋅
v
p
e
r
p
.
{\displaystyle F(s)=p_{\mathrm {mid} }+s\cdot \mathbf {v} _{\mathrm {perp} }.}
公理 3
给定两直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以把
l
1
{\displaystyle l_{1}}
折到
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。
这条公理相当于是找出
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
组成的角的平分线。假设
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
是
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上任意两点,
q
1
{\displaystyle q_{1}}
和
q
2
{\displaystyle q_{2}}
是
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上任意两点,
u
{\displaystyle \mathbf {u} }
和
v
{\displaystyle \mathbf {v} }
分别是
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
方向的单位向量:
u
=
(
p
2
−
p
1
)
/
|
(
p
2
−
p
1
)
|
{\displaystyle \mathbf {u} =(p_{2}-p_{1})/\left|(p_{2}-p_{1})\right|}
v
=
(
q
2
−
q
1
)
/
|
(
q
2
−
q
1
)
|
.
{\displaystyle \mathbf {v} =(q_{2}-q_{1})/\left|(q_{2}-q_{1})\right|.}
如果两直线不平行,它们的交点为:
p
i
n
t
=
p
1
+
s
i
n
t
⋅
u
{\displaystyle p_{\mathrm {int} }=p_{1}+s_{\mathrm {int} }\cdot \mathbf {u} }
其中
s
i
n
t
=
−
v
⊥
⋅
(
p
1
−
q
1
)
v
⊥
⋅
u
.
{\displaystyle s_{int}=-{\frac {\mathbf {v} _{\perp }\cdot (p_{1}-q_{1})}{\mathbf {v} _{\perp }\cdot \mathbf {u} }}.}
两条直线所夹的一个角的平分线方向是:
w
=
|
u
|
v
+
|
v
|
u
|
u
|
+
|
v
|
.
{\displaystyle \mathbf {w} ={\frac {\left|\mathbf {u} \right|\mathbf {v} +\left|\mathbf {v} \right|\mathbf {u} }{\left|\mathbf {u} \right|+\left|\mathbf {v} \right|}}.}
折痕的参数方程是:
F
(
s
)
=
p
i
n
t
+
s
⋅
w
.
{\displaystyle F(s)=p_{\mathrm {int} }+s\cdot \mathbf {w} .}
这两直线还有另一个角平分线,两条角平分线互相垂直,且都过点
p
i
n
t
{\displaystyle p_{int}}
。而沿着任意一条角平分线折都能将
l
1
{\displaystyle l_{1}}
折到
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。但在实践中可能因为交点的位置(比如交点在纸外)使沿着其中一条角平分线的折叠无法实施。
如果两条直线平行 ,那么只要沿着两直线中间的一条线(与两直线平行,到两直线距离相等)折叠就可以将
l
1
{\displaystyle l_{1}}
折到
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上
公理 4
给定一点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和一条直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,有且仅有一种方法过
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折出
l
1
{\displaystyle l_{1}}
的垂线。
向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} }
是垂直于
l
1
{\displaystyle l_{1}}
的单位向量,那么折痕的参数方程是:
F
(
s
)
=
p
1
+
s
⋅
v
.
{\displaystyle F(s)=p_{1}+s\cdot \mathbf {v} .}
公理 5
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和一条直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,可以沿过
p
2
{\displaystyle p_{2}}
的直线将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
这个公理相当于找出圆 和直线的交点,所以有最多2个解,最少也可能无解。这取决于直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和以
p
2
{\displaystyle p_{2}}
为圆心,
p
2
{\displaystyle p_{2}}
到
p
1
{\displaystyle p_{1}}
的距离为半径的圆的位置关系。如果直线和圆不相交则无解,相切则有1解,相交则有2解.
如果我们知道直线上两点
(
x
1
,
y
1
)
{\displaystyle (x_{1},y_{1})}
和
(
x
2
,
y
2
)
{\displaystyle (x_{2},y_{2})}
,那么直线可以表示为:
x
=
x
1
+
s
(
x
2
−
x
1
)
{\displaystyle x=x_{1}+s(x_{2}-x_{1})\,}
y
=
y
1
+
s
(
y
2
−
y
1
)
.
{\displaystyle y=y_{1}+s(y_{2}-y_{1}).\,}
如果圆心
p
2
=
(
x
c
,
y
c
)
{\displaystyle p_{2}=(x_{c},y_{c})}
,半径
r
=
|
p
1
−
p
2
|
{\displaystyle r=\left|p_{1}-p_{2}\right|}
。那么这个圆可以表示为:
(
x
−
x
c
)
2
+
(
y
−
y
c
)
2
=
r
2
.
{\displaystyle (x-x_{c})^{2}+(y-y_{c})^{2}=r^{2}.\,}
为了确定圆和直线的交点,将直线方程代入圆方程,得:
(
x
1
+
s
(
x
2
−
x
1
)
−
x
c
)
2
+
(
y
1
+
s
(
y
2
−
y
1
)
−
y
c
)
2
=
r
2
.
{\displaystyle (x_{1}+s(x_{2}-x_{1})-x_{c})^{2}+(y_{1}+s(y_{2}-y_{1})-y_{c})^{2}=r^{2}.\,}
或者可以简化为:
a
s
2
+
b
s
+
c
=
0
{\displaystyle as^{2}+bs+c=0\,}
其中:
a
=
(
x
2
−
x
1
)
2
+
(
y
2
−
y
1
)
2
{\displaystyle a=(x_{2}-x_{1})^{2}+(y_{2}-y_{1})^{2}\,}
b
=
2
(
x
2
−
x
1
)
(
x
1
−
x
c
)
+
2
(
y
2
−
y
1
)
(
y
1
−
y
c
)
{\displaystyle b=2(x_{2}-x_{1})(x_{1}-x_{c})+2(y_{2}-y_{1})(y_{1}-y_{c})\,}
c
=
x
c
2
+
y
c
2
+
x
1
2
+
y
1
2
−
2
(
x
c
x
1
+
y
c
y
1
)
−
r
2
.
{\displaystyle c=x_{c}^{2}+y_{c}^{2}+x_{1}^{2}+y_{1}^{2}-2(x_{c}x_{1}+y_{c}y_{1})-r^{2}.\,}
然后,只要解以下方程就能确定直线和圆的交点:
−
b
±
b
2
−
4
a
c
2
a
.
{\displaystyle {\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}.}
如果判别式
b
2
−
4
a
c
<
0
{\displaystyle b^{2}-4ac<0}
,那么方程无实数解,圆和直线没有交点;如果辨别式等于0,那么方程有一解,圆和直线相切 ;如果辨别式大于0,方程有两解,圆和直线有两个交点。令
d
1
{\displaystyle d_{1}}
和
d
2
{\displaystyle d_{2}}
是两个交点(如果存在),那么,我们可以得到线段如下:
m
1
=
p
1
d
1
¯
{\displaystyle m_{1}={\overline {p_{1}d_{1}}}\,}
m
2
=
p
1
d
2
¯
.
{\displaystyle m_{2}={\overline {p_{1}d_{2}}}.\,}
折痕
F
1
(
s
)
{\displaystyle F_{1}(s)}
垂直平分
m
1
{\displaystyle m_{1}}
,可以将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
d
1
{\displaystyle d_{1}}
。同样,折痕
F
2
(
s
)
{\displaystyle F_{2}(s)}
垂直平分
m
2
{\displaystyle m_{2}}
,可以将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
d
2
{\displaystyle d_{2}}
。只要应用公理2就可以找到垂直平分线。折痕的参数方程是:
F
1
(
s
)
=
p
1
+
1
2
(
d
1
−
p
1
)
+
s
(
d
1
−
p
1
)
⊥
F
2
(
s
)
=
p
1
+
1
2
(
d
2
−
p
1
)
+
s
(
d
2
−
p
1
)
⊥
.
{\displaystyle {\begin{aligned}F_{1}(s)&=p_{1}+{\frac {1}{2}}(d_{1}-p_{1})+s(d_{1}-p_{1})_{\perp }\\[8pt]F_{2}(s)&=p_{1}+{\frac {1}{2}}(d_{2}-p_{1})+s(d_{2}-p_{1})_{\perp }.\end{aligned}}}
公理 6
给定两点
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和两直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以一次将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
、
p
2
{\displaystyle p_{2}}
分别折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
、
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。
这个公理相当于找到同时与两条抛物线 相切的直线,等价于解一个三次方程。两条抛物线的焦点分别是
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,准线分别是
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
。
公理 7
给定一点
p
{\displaystyle p}
和两直线
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以沿着
l
2
{\displaystyle l_{2}}
的垂线将
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
过
p
{\displaystyle p}
点作
l
2
{\displaystyle l_{2}}
的平行线,交
l
1
{\displaystyle l_{1}}
于
q
{\displaystyle q}
,这个公理就是要找出线段
p
q
¯
{\displaystyle {\overline {pq}}}
的垂直平分线。沿着这条垂直平分线折,就可以将
p
{\displaystyle p}
折到
q
{\displaystyle q}
上。