Jednakowoskładalność – pojęcie w geometrii określające relację między figurami, które można podzielić na skończoną liczbę części, a następnie ułożyć z tych części jedną figurę w drugą. Pojęcie to jest szczególnie istotne w odniesieniu do wielokątów i ich pól.

Dwa wielokąty są jednakowoskładalne, jeżeli można każdy z nich podzielić na tę samą liczbę mniejszych wielokątów w taki sposób, aby odpowiednie części były przystające. Następnie części jednej figury można przesuwać, obracać i odbijać na drugą stronę, aby otrzymać drugą figurę.

Notacja Przyjmuje się następującą notację:

oznacza, że wielokąty i są przystające, oznacza, że wielokąty i są jednakowoskładalne, oznacza, że wielokąty i są słabo jednakowoskładalne, oznacza pole wielokąta .

Definicja Niech i będą wielokątami. Wielokąt nazywamy jednakowoskładalnym z wielokątem , jeżeli istnieją podziały

oraz

,

takie że

dla każdego .

Jeżeli i są jednakowoskładalne, zapisujemy

.

Własności Relacja jest relacją równoważności w zbiorze wszystkich wielokątów.

Zwrotność Każdy wielokąt jest jednakowoskładalny z samym sobą. Wystarczy nie wykonywać żadnego rozcięcia:

.

Symetria Jeżeli

,

to

.

Jeżeli części wielokąta można ułożyć w wielokąt , to można wykonać ten proces w odwrotną stronę.

Przechodniość Jeżeli

oraz

,

to

.

Jednakowoskładalność a równość pól Jeżeli

,

to

.

Wynika to bezpośrednio z definicji. Odpowiednie części wielokątów są przystające, a więc mają równe pola. Suma pól części pierwszego wielokąta jest zatem równa sumie pól części drugiego.

Samo przystawanie nie jest jednak konieczne do równości pól. Prostokąt i równoległobok mogą mieć równe pola, mimo że nie są przystające. Podobnie trójkąt i prostokąt mogą mieć równe pola, chociaż mają różne kształty.

Dla wielokątów okazuje się jednak, że równość pól jest wystarczająca do uzyskania jednakowoskładalności.

Jednakowoskładalność słaba Niech i będą wielokątami. Mówimy, że jest słabo jednakowoskładalny z , jeżeli istnieją wielokąty

oraz

,

takie że

dla każdego , a wielokąty

oraz

są jednakowoskładalne.

Słabą jednakowoskładalność zapisujemy symbolem

.

Idea jest następująca: jeżeli dwóch wielokątów nie potrafimy bezpośrednio rozciąć i ułożyć jeden w drugi, możemy do obu z nich dołączyć odpowiednie, parami przystające części pomocnicze. Po ich dodaniu otrzymane figury stają się jednakowoskładalne.

Relacja jest relacją równoważności.

Dla wielokątów zachodzi

.

Jednakowoskładalność mocna Drugim uogólnieniem jest mocna jednakowoskładalność. W tym przypadku ogranicza się zbiór dozwolonych ruchów części. Dwa wielokąty nazywamy mocno jednakowoskładalnymi, jeżeli jeden z nich można pociąć na skończoną liczbę wielokątów, z których można ułożyć drugi wyłącznie, bez przewracania na drugą stronę, za pomocą:

przesuwania, obracania.

Relacja mocnej jednakowoskładalności jest również relacją równoważności.

Twierdzenie Wallace’a-Bolyai-Gerwiena Dla dowolnych wielokątów i następujące warunki są równoważne:

. i są mocno jednakowoskładalne. , czyli i są jednakowoskładalne. , czyli i są prawie jednakowoskładalne.

W szczególności

.

Twierdzenie to jest znane jako twierdzenie Wallace’a-Bolyai-Gerwiena.

Dowód Jeżeli ,

to oba wielokąty można podzielić na parami przystające części. Jeżeli

oraz ,

gdzie ,

to

dla każdego . Po zsumowaniu otrzymujemy ,

więc: ,

Załóżmy, że .

Z własności mocnej jednakowoskładalności wynika, że istnieją prostokąty i o bokach długości odpowiednio oraz , takie że

oraz ,

przy czym w tym miejscu symbol oznacza odpowiednią relację mocnej jednakowoskładalności.

Ponieważ ,

otrzymujemy .

Zatem ,

więc prostokąty i są przystające: .

Stąd ,

a więc .

Z tego otrzymujemy: .

Przypisy

Kategoria:Geometria