종이접기로 선분을 나누기 - 후지모토 근사법
Coordinate : 314 2008/01/22 15:33 종이접기 (Origami)/기본형 & 이론 (Bases & Theories)
선분을 정확히 나누기, 2등분, 4등분 같이 반으로 접어 쉽게 등분이 가능한 경우가 아닐때는 자가 없다면 상당히 쉽지 않은 문제입니다. 하지만, 근사적으론 매우 쉽게 선분을 n등분할 수 있습니다. 일단 짝수등분의 경우는 아래와 같이

하지만... 정답입니다! 그냥 때려 맞추면 됩니다. (음?) 그럼 어디 5등분을 예로 들어보죠.

헛, 실수를 좀 해서 많이 벗어난것처럼 보이네요. 뭐 상관 없습니다. 이제부터 저기를 "5등분점"이라고 해버리면 되지요. 하하하.

흠흠.. 그럼 이제부터 마술을 보여 드리겠습니다!. 일단 오른쪽을 반으로 접고,

한번 더 이 선을 기준으로 오른쪽을 반으로 접고

이 선을 기준으로 왼쪽을 반으로 접고

또 그 선을 기준으로 왼쪽을 반으로 접으면

음 뭔가 제법 그럴싸한 위치에 새로운 점이 생겼네요. 그래도 아직 정확하진 않습니다. 그럼 이 점을 기준으로

다시 한번 위와 같이 접으면,

좀 더 정확한 선이 생깁니다. 그리고 이 과정을 적당한 수준까지 반복하면, 거의 정확한 5등분 선을 얻을 수 있지요. 그렇다면 왜 이것이 성립하는 걸까요?

이 됩니다. 그리고 오른쪽을 두번 접은 후 나머지 길이는,

즉,

이 됩니다. 반대쪽을 또 두번 접으면, 왼쪽의 나머지 길이는
이 되고, 또 이 알고리즘을 반복하면,

한번 더 하면

이 됩니다. 즉, 한번 접을때마다 등분점의 좌표는 변하지 않고(실제 5등분된 종이로 위 알고리즘을 적용시켜 보면 계속 접혔던 부분만 접히게 됨.), 오차가 반으로 줄어들기 때문에, 고등학교때 배웠던 대로,

가 되어 오차가 0에 수렴하게 되지요. 단, 무한번 접을 수 있느냐 없느냐는 별개의 얘기지만요. 어쨌든, 사람이 접는 것에 의한 오차도 있기 때문에 처음에 얼마나 잘 접었느냐에 따라 다르긴 하지만 1000분의 1정도 까지 오차를 줄일 정도만 접으면 보통 거의 정확히 종이를 5등분 할 수 있습니다.

위 도표에서 보시다 시피 대략 10번 정도 접으면 오차를 거의 완벽히 줄일 수 있습니다. 그럼 증명은 여기까지로 줄이고 일반적인 홀수 n등분 알고리즘을 소개하고 이만 마치도록 하겠습니다.
ps. 고등학교때 극한 배우시면서 이거 어디따 써먹어! 하고 생각해보신분들이 많으실 텐데요. 생각외로 써먹을 만한 데가 많답니다 ^^
6등분 = 3등분 → 2등분
18등분 = 9등분 → 2등분
48등분 = 3등분 → 16등분
홀수등분 후, 다시 짝수 등분 하면 모든 짝수등분을 얻을 수 있기에 고려하지 않겠습니다. 그렇다면, 어떻게 근사적으로 선분을 나눌 수 있을까요?18등분 = 9등분 → 2등분
48등분 = 3등분 → 16등분
지나가던 사람 曰, "그냥 때려맞추면 되는거 아닌가요? 그까이꺼.."

그렇게 단순할 리가 없잖아.
하지만... 정답입니다! 그냥 때려 맞추면 됩니다. (음?) 그럼 어디 5등분을 예로 들어보죠.
예제 : 5등분
자 여기 어림짐작해서 접어놓은 5등분점이 있습니다.헛, 실수를 좀 해서 많이 벗어난것처럼 보이네요. 뭐 상관 없습니다. 이제부터 저기를 "5등분점"이라고 해버리면 되지요. 하하하.

흠흠.. 그럼 이제부터 마술을 보여 드리겠습니다!. 일단 오른쪽을 반으로 접고,
한번 더 이 선을 기준으로 오른쪽을 반으로 접고
이 선을 기준으로 왼쪽을 반으로 접고
또 그 선을 기준으로 왼쪽을 반으로 접으면
음 뭔가 제법 그럴싸한 위치에 새로운 점이 생겼네요. 그래도 아직 정확하진 않습니다. 그럼 이 점을 기준으로
다시 한번 위와 같이 접으면,
좀 더 정확한 선이 생깁니다. 그리고 이 과정을 적당한 수준까지 반복하면, 거의 정확한 5등분 선을 얻을 수 있지요. 그렇다면 왜 이것이 성립하는 걸까요?
증명
음 증명은 제법 간단합니다. 일단, 처음에 5등분점을 잡았을때의 오차를 (공대생이 제일 싫어하는) ɛ 이라 해보죠. 그럼 실제 5등분 점의 위치는
이 됩니다. 그리고 오른쪽을 두번 접은 후 나머지 길이는,
즉,

이 됩니다. 반대쪽을 또 두번 접으면, 왼쪽의 나머지 길이는
한번 더 하면
이 됩니다. 즉, 한번 접을때마다 등분점의 좌표는 변하지 않고(실제 5등분된 종이로 위 알고리즘을 적용시켜 보면 계속 접혔던 부분만 접히게 됨.), 오차가 반으로 줄어들기 때문에, 고등학교때 배웠던 대로,
가 되어 오차가 0에 수렴하게 되지요. 단, 무한번 접을 수 있느냐 없느냐는 별개의 얘기지만요. 어쨌든, 사람이 접는 것에 의한 오차도 있기 때문에 처음에 얼마나 잘 접었느냐에 따라 다르긴 하지만 1000분의 1정도 까지 오차를 줄일 정도만 접으면 보통 거의 정확히 종이를 5등분 할 수 있습니다.

위 도표에서 보시다 시피 대략 10번 정도 접으면 오차를 거의 완벽히 줄일 수 있습니다. 그럼 증명은 여기까지로 줄이고 일반적인 홀수 n등분 알고리즘을 소개하고 이만 마치도록 하겠습니다.
후지모토 근사법 - 알고리즘
- 예상되는 n등분 지점을 접고 양쪽중 짧은 쪽에 1, 긴쪽에 n-1을 파라미터로 준다.
- 둘 중 짝수인 쪽을 반으로 접는다.
- 이 선을 기준으로, 다시 파라미터를 재분배 한다.
- 짝수 였던 쪽 : 새 파라미터 = 기존 파라미터 / 2
- 홀수 였던 쪽 : 새 파라미터 = n - 짝수였던 쪽의 새 파라미터
- 다시 한쪽에 1을 얻을때까지 2,3을 반복한다.
- 오차가 적정 수준까지 내려가지 않았으면 다시 2로 가고 아니면 완성.
참고문헌
- Hull, Thomas. "Dividing a Length into Equal Nths : Fujimoto Approximation".
Project Origami - Activities for Exploring Mathematics. p.15 - 26.
ps. 고등학교때 극한 배우시면서 이거 어디따 써먹어! 하고 생각해보신분들이 많으실 텐데요. 생각외로 써먹을 만한 데가 많답니다 ^^


20060529_talk_origami.pdf











































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[저기 이외에도 많다면, 어떤게 있을려나요..ㄷㄷ]
http://pomonahistorical.org/12times.htm