喬伊斯分地問題研究

潘璐 雷桂林 李金霞 張新國(guó)

內(nèi)容提要：對(duì)于用一條直線平分刀形土地的問題，分別找到了一縱解、一橫解、一斜解，進(jìn)而找到了三個(gè)有心集合解。分析了剩余區(qū)域，恰好是三個(gè)無(wú)心集合解。提出了其它的找解的方法都可得到與六個(gè)解集相同的結(jié)論。由此得出了兩個(gè)引理：過(guò)平面上圖形外給定點(diǎn)，可以引一條直線將該平面上的單連通封閉圖形面積平分，且只能引一條直線;給定平面上一直線方向，可以做一條該直線平行線，把圖形面積平分，并且只能引一條。得出了后面的兩個(gè)推論。最后得到結(jié)論：用一條直線平分刀形土地的六個(gè)集合解是平分直線的完備集。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)游戲 小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué) 面積平分線 集合方法

中圖分類號(hào)：O123（注：O是英文字母） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1. 引言

參考文獻(xiàn)[1]用一條直線將一塊由五個(gè)邊長(zhǎng)為1的正方形拼成的“刀形”土地平均分成兩塊。我們先找到了許多特殊解，繼而找到了某類集合解，集合解又分為兩類，有心集與無(wú)心集。另外，還找到了另外一種求解集的方法。

后來(lái)發(fā)現(xiàn)有些解集是重合的，最后給出了一種完備的表述方法，其他表述被包含其中。

2. 有心集合解

2.1. 有心集合Ⅰ區(qū)解

2.1.1. 縱向平分線

一條縱向解線，在圖1中，豎直線MN距左邊1.25，它將五方圖形左右平分，使左右兩側(cè)的面積分別為2.5，MN中點(diǎn)為O1。

2.1.2 有心集合解Ⅰ區(qū)解：

在圖1 AC上任找一點(diǎn)R，連接RO1，并延長(zhǎng)交下面為S點(diǎn)。因 ，故兩三角形面積相等，從而推出RS也是五方的平分直線，從而得到AC上所有點(diǎn)與O1連線的延長(zhǎng)線都是圖形平分線。這些平分線都在直線AB、CD（ ， ）所夾的區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域?yàn)橛行模∣1）集合Ⅰ區(qū)。

2.2. 有心集合Ⅱ區(qū)解

見圖1，先找到一條橫向平分線PQ，PQ距下邊5/6，其中點(diǎn)為O2。在GH、EF（ ， ）所夾的區(qū)域內(nèi)，任何一條過(guò)O2的直線都將平分五方圖。（由2.1可證）這是有心（O2）集合Ⅱ區(qū)。

2.3. 有心集合Ⅲ區(qū)解

同前，先找到一條平分的中間線TU，兩點(diǎn)各距下邊為 、 ，可知，在IJ、KL圍成的區(qū)域內(nèi)，所有過(guò)O3點(diǎn)的直線都將平分五方。

有心集區(qū)域的特點(diǎn)是，每個(gè)區(qū)域的兩個(gè)對(duì)頂三角形的對(duì)邊是相互平行的。

3. 無(wú)心集合區(qū)解

3.1. 無(wú)心集合區(qū)Ⅳ解

即圖1中由CD、IJ圍成的區(qū)域，在CI上任找一點(diǎn)X，連接XJ（虛線），過(guò)I作 ，交CD于X'，連接X'X，并設(shè)IJ與XX’的交點(diǎn)為 ，則XX’即為在區(qū)域Ⅳ內(nèi)的五方平分線。（證明如下：△XJI與△XJX’是同底等高三角形，（高為平行線 間的距離），故二三角形面積相等，因此 與 的面積相等。前面已知IJ是五分面積平分線，故XX' 也是五方面積平分線。）這些平分線除兩條邊界線外的所有平分線都不過(guò)O4（可以證明），就構(gòu)成了無(wú)心集合Ⅳ的解。

3.2. 無(wú)心集合區(qū)Ⅴ的解

即圖1中由AB、EF圍成的區(qū)域，也可由解析找在這個(gè)區(qū)的平分直線方程，介紹如下。以J為坐標(biāo)原點(diǎn)，JF為x軸，JA為y軸建立坐標(biāo)系，在V區(qū)邊界上取點(diǎn)，滿足Xy=5的即為一條平分線，在EA上取Y點(diǎn)，測(cè)量YJ =1.8，在BF上找Y’點(diǎn)，則JY’=5/1.8=2.78，在BF上找到Y(jié)’，YY’即為所找的平分直線，同理可找到所有的平分直線。

3.3. 無(wú)心集合區(qū)Ⅵ的解

見圖1，即圖1中直線KL、HG圍成的區(qū)域。找平分直線的方法可參閱Ⅳ區(qū)、Ⅴ區(qū)解使用的方法。

無(wú)心集區(qū)域的特點(diǎn)是，每個(gè)區(qū)域的兩個(gè)三角形的對(duì)邊是相互垂直的。

4. 其他個(gè)解與解集

4.1. 其他個(gè)解

①縱橫各一條平分線，即圖1中的MN、PQ。②六個(gè)集合的邊界線（六條）和中線（六條）。③過(guò)每條邊的特殊點(diǎn)與中心交叉點(diǎn)的連線，如題1中U’R’、N’M’、B’A’、P’Q’（共四條）。④把五個(gè)正方形分成兩組中心對(duì)稱的圖形的連心線（圖1中，右1與余4;上二與下三;左下1與余4）共得三條）。⑤其他過(guò)特殊點(diǎn)的平分線。以上共計(jì)二十一條平分線（不計(jì)⑤類）。這21條平分線都在六集合內(nèi)。

4.2. 其他解集

在五方邊界上任找兩點(diǎn)，如圖1中KU’做參考線，可以計(jì)算該線和五方圖形一側(cè)的面積，如圖1中KU’與U’FGK圍成的圖形的面積為1.5，在KU’的左上側(cè)再做一條線如WV使WV與KU’圍成的面積為1，則WV就是要找到平分線。也可以找ZZ’，使ZZ’與KU’圍成的面積為1，則ZZ’就是要找到平分線。還可以找到N’M’使M’CKOM’的面積減去△O7U’N’的面積為1，即M’N’為圖形的面積平分線。所以這些平分線構(gòu)成一個(gè)解集。這個(gè)解集將涵蓋前面介紹的六個(gè)解集。

同樣可以選其他參考線，得到一個(gè)解集，而這樣的解集有無(wú)窮多個(gè)。

5. 平面封閉圖形直線平分引理和推論

5.1 引理1 過(guò)平面上圖形外給定點(diǎn)，可以引一條直線將該平面上的單連通封閉圖形面積平分，且只能引一條直線。如圖2所示，給定點(diǎn)A，過(guò)A任作一條直線AB，可以測(cè)量圖形在AB上面的面積小于AB線面的面積。過(guò)A點(diǎn)朝下斜作AC，得到AC下面面積小于上面的面，在它們之間再做一條AD，......因?yàn)閳D形面積變化是連續(xù)的，總能找到AD將圖形面積平分。過(guò)A點(diǎn)的直線隨著與AB夾角變大而面積將連續(xù)變大，故平分只有一條。

5.2 引理2

給定平面上一直線方向，可以做一條該直線平行線，把圖形面積平分，并且只能引一條。如圖3所示，圖形外有一條直線AB，先做一條直線CD，使CD//AB，測(cè)量計(jì)算發(fā)現(xiàn)CD左邊的面積小于右邊的面積，再做一條直線EF，使EF//AB，測(cè)量計(jì)算發(fā)現(xiàn)EF右邊比左邊面積大，經(jīng)過(guò)多次總能找一條直線（因?yàn)槠叫芯€移動(dòng)左右兩邊面積將連續(xù)變化），使直線GH左右兩側(cè)面積相等。

5.3 推論1

過(guò)平面上一點(diǎn)封閉圖形的平分線必過(guò)圖形邊界;過(guò)平面各點(diǎn)的封閉圖形平行線走遍封閉圖形邊界上各點(diǎn)，即過(guò)圖形邊界上各點(diǎn)的平分直線是圖形平分直線的完備集。

5.4 推論2

平行于平面上已知直線對(duì)封閉圖形的平分直線必過(guò)圖形邊界;平行于平面上各方向的封閉圖形的平分線走遍封閉圖形的邊界上各點(diǎn)，也即圖形邊界上各點(diǎn)的平分直線是圖形平分直線的完備集。

5.5 結(jié)論

平分五方問題的六集合解，是平分直線的完備集。

參考文獻(xiàn)

[1] 聞鐘.優(yōu)秀小學(xué)生必做的1000個(gè)思維游戲[M].南京大學(xué)出版社.2015..

[2] 常國(guó)慶.研究性學(xué)習(xí)“三步曲”——以“平面多邊形面積平分線性質(zhì)的探索”為例.教育研究與評(píng)論（中學(xué)教育教學(xué)）. 2015，（7）：82-90.

[3] 張小川，翟雙. 一類面積問題的推廣. 中國(guó)數(shù)學(xué)教育. 2018，（7-8）：101-103.