前6個公理又叫做藤田公理,公理7由羽鳥公士郎發現,賈斯汀和羅伯特·朗(Robert J. Lang)也同樣發現了公理7。7條公理如下:
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且僅有 一條摺痕同時過這兩點。
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且僅有一種方法把
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
p
2
{\displaystyle p_{2}}
上。
給定兩直線
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。
給定一點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和一條直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,有且僅有一種方法過
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折出
l
1
{\displaystyle l_{1}}
的垂線。
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和一條直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,可以沿過
p
2
{\displaystyle p_{2}}
的直線將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和兩直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以一次將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
、
p
2
{\displaystyle p_{2}}
分別折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
、
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。
給定一點
p
{\displaystyle p}
和兩直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以沿著
l
2
{\displaystyle l_{2}}
的垂線將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
公理5可能有最多2個解,公理6可能有最多3個解,而尺規作圖 的公理最多只有兩個解。所以,摺紙的作圖能力要強於尺規作圖。就是說,尺規作圖相當於在解二次方程,而摺紙幾何相當於解三次方程。因而諸如三等分角 、倍立方 等尺規作圖無法解決的問題卻可以用摺紙幾何解決。但是公理6在實踐中需要將紙「滑動」,這其實相當於二刻尺作圖 ,這在標準的尺規作圖中是不被允許的。
羅伯特·朗證明了這七個公理已經是摺紙幾何的全部公理了。
公理 1
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且僅有 一條摺痕同時過這兩點。
以參數方程表示的話,過2點的直線可以表示為:
F
(
s
)
=
p
1
+
s
(
p
2
−
p
1
)
.
{\displaystyle F(s)=p_{1}+s(p_{2}-p_{1}).}
公理 2
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,有且僅有一種方法把
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
p
2
{\displaystyle p_{2}}
上。
這條公理相當於是作線段
p
1
p
2
¯
{\displaystyle {\overline {p_{1}p_{2}}}}
的垂直平分線 。這可以通過以下四個步驟完成:
使用公理1 作出連結
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
的直線
P
(
s
)
=
p
1
+
s
(
p
2
−
p
1
)
{\displaystyle P(s)=p_{1}+s(p_{2}-p_{1})}
找到直線
P
(
s
)
{\displaystyle P(s)}
的中點
p
m
i
d
{\displaystyle p_{mid}}
找到垂直於
P
(
s
)
{\displaystyle P(s)}
的向量
v
p
e
r
p
{\displaystyle \mathbf {v_{perp}} }
摺痕的參數方程 表示為:
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
給定兩直線
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。
這條公理相當於是找出
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
組成的角的平分線。假設
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
是
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上任意兩點,
q
1
{\displaystyle q_{1}}
和
q
2
{\displaystyle q_{2}}
是
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上任意兩點,
u
{\displaystyle \mathbf {u} }
和
v
{\displaystyle \mathbf {v} }
分別是
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
方向的單位向量:
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|.}
如果兩直線不平行,它們的交點為:
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} }}.}
兩條直線所夾的一個角的平分線方向是:
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|}}.}
摺痕的參數方程是:
F
(
s
)
=
p
i
n
t
+
s
⋅
w
.
{\displaystyle F(s)=p_{\mathrm {int} }+s\cdot \mathbf {w} .}
這兩直線還有另一個角平分線,兩條角平分線互相垂直,且都過點
p
i
n
t
{\displaystyle p_{int}}
。而沿著任意一條角平分線折都能將
l
1
{\displaystyle l_{1}}
折到
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。但在實踐中可能因為交點的位置(比如交點在紙外)使沿著其中一條角平分線的摺疊無法實施。
如果兩條直線平行 ,那麼只要沿著兩直線中間的一條線(與兩直線平行,到兩直線距離相等)摺疊就可以將
l
1
{\displaystyle l_{1}}
折到
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上
公理 4
給定一點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和一條直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,有且僅有一種方法過
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折出
l
1
{\displaystyle l_{1}}
的垂線。
向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} }
是垂直於
l
1
{\displaystyle l_{1}}
的單位向量,那麼摺痕的參數方程是:
F
(
s
)
=
p
1
+
s
⋅
v
.
{\displaystyle F(s)=p_{1}+s\cdot \mathbf {v} .}
公理 5
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和一條直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
,可以沿過
p
2
{\displaystyle p_{2}}
的直線將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
這個公理相當於找出圓 和直線的交點,所以有最多2個解,最少也可能無解。這取決於直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和以
p
2
{\displaystyle p_{2}}
為圓心,
p
2
{\displaystyle p_{2}}
到
p
1
{\displaystyle p_{1}}
的距離為半徑的圓的位置關係。如果直線和圓不相交則無解,相切則有1解,相交則有2解.
如果我們知道直線上兩點
(
x
1
,
y
1
)
{\displaystyle (x_{1},y_{1})}
和
(
x
2
,
y
2
)
{\displaystyle (x_{2},y_{2})}
,那麼直線可以表示為:
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}).\,}
如果圓心
p
2
=
(
x
c
,
y
c
)
{\displaystyle p_{2}=(x_{c},y_{c})}
,半徑
r
=
|
p
1
−
p
2
|
{\displaystyle r=\left|p_{1}-p_{2}\right|}
。那麼這個圓可以表示為:
(
x
−
x
c
)
2
+
(
y
−
y
c
)
2
=
r
2
.
{\displaystyle (x-x_{c})^{2}+(y-y_{c})^{2}=r^{2}.\,}
為了確定圓和直線的交點,將直線方程代入圓方程,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}.\,}
或者可以簡化為:
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}.\,}
然後,只要解以下方程就能確定直線和圓的交點:
−
b
±
b
2
−
4
a
c
2
a
.
{\displaystyle {\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}.}
如果判別式
b
2
−
4
a
c
<
0
{\displaystyle b^{2}-4ac<0}
,那麼方程無實數解,圓和直線沒有交點;如果辨別式等於0,那麼方程有一解,圓和直線相切 ;如果辨別式大於0,方程有兩解,圓和直線有兩個交點。令
d
1
{\displaystyle d_{1}}
和
d
2
{\displaystyle d_{2}}
是兩個交點(如果存在),那麼,我們可以得到線段如下:
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}}}.\,}
摺痕
F
1
(
s
)
{\displaystyle F_{1}(s)}
垂直平分
m
1
{\displaystyle m_{1}}
,可以將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
d
1
{\displaystyle d_{1}}
。同樣,摺痕
F
2
(
s
)
{\displaystyle F_{2}(s)}
垂直平分
m
2
{\displaystyle m_{2}}
,可以將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
d
2
{\displaystyle d_{2}}
。只要應用公理2就可以找到垂直平分線。摺痕的參數方程是:
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
給定兩點
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
和兩直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以一次將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
、
p
2
{\displaystyle p_{2}}
分別折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
、
l
2
{\displaystyle l_{2}}
上。
這個公理相當於找到同時與兩條拋物線 相切的直線,等價於解一個三次方程。兩條拋物線的焦點分別是
p
1
{\displaystyle p_{1}}
和
p
2
{\displaystyle p_{2}}
,準線分別是
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
。
公理 7
給定一點
p
{\displaystyle p}
和兩直線
l
1
{\displaystyle l_{1}}
和
l
2
{\displaystyle l_{2}}
,可以沿著
l
2
{\displaystyle l_{2}}
的垂線將
p
1
{\displaystyle p_{1}}
折到
l
1
{\displaystyle l_{1}}
上。
過
p
{\displaystyle p}
點作
l
2
{\displaystyle l_{2}}
的平行線,交
l
1
{\displaystyle l_{1}}
於
q
{\displaystyle q}
,這個公理就是要找出線段
p
q
¯
{\displaystyle {\overline {pq}}}
的垂直平分線。沿著這條垂直平分線折,就可以將
p
{\displaystyle p}
折到
q
{\displaystyle q}
上。