별과 정리
별과 정리 · 제61장 · 1부 · 누구나 손댈 수 있는 것

한 번의 가위질

The Fold-and-Cut Theorem
어떤 다각형이든 접어서 단 한 번 자르면 오려낼 수 있다
교과 연결초5 합동과 대칭 · 초4 평면도형의 이동종이를 접어 한 번에 오려내는 이야기

접어서 단 한 번만 자릅니다

종이 위에 다섯 갈래 별이나 나비, 혹은 원하는 어떤 다각형이든 그려 보세요. 종이를 이리저리 잘 접은 다음, 가위로 곧은 선을 단 한 번만 싹둑 자릅니다.

종이를 펼치면 방금 그렸던 복잡한 별 모양이 종이에서 깨끗하게 쏙 빠져나옵니다. 세상 모든 다각형을 단 한 번의 가위질로 오려낼 수 있다는 것이 정말 사실일까요?

이야기

한 번의 가위질
접어서 한 번만 자르면 별이 통째로 빠져나온다

1998년 MIT. 열일곱 살의 에릭 디메인과 그의 아버지, 그리고 안나 루비우가 이 정리를 증명합니다. 에릭은 열두 살에 대학에 들어가 스무 살에 MIT 교수가 된 사람입니다.

그런데 이 마술 자체는 훨씬 오래되었습니다. 1721년 일본의 수수께끼 책에 접어서 자르는 문제가 실려 있고, 마술사 후디니도 1922년 자기 책에 별 오리기를 적어 두었습니다. 사람들은 삼백 년 동안 되는 것을 알면서 왜 되는지는 몰랐던 것입니다.

비결은 오려 낼 모든 선을 한 직선 위로 겹치게 접는 데 있습니다. 한 번의 가위질이 여러 변을 동시에 자르려면, 접었을 때 그 변들이 같은 자리에 포개져 있어야 하기 때문입니다.

그렇게 접으려면 각의 이등분선을 따라 접어야 합니다. 이등분선이 두 변에서 똑같은 거리에 있는 자리이기 때문입니다. 도형 안쪽에 생기는 이 이등분선들의 뼈대를 직선 골격이라 하고, 그것이 접는 지도가 됩니다.

그는 열두 살에 대학에 들어가 스무 살에 MIT 교수가 되었습니다. 아버지와 함께 종이접기를 수학으로 다루는 일을 계속했고, 두 사람이 접어 만든 작품은 뉴욕 현대미술관에 걸려 있습니다. 종이 한 장을 접는 일이 수학이면서 동시에 예술인 셈입니다.

오늘 이것이 하는 일

접어서 펴는 설계의 뿌리입니다. 어떤 도형이든 한 번의 가위질로 오릴 수 있다는 정리는 「접는 법」이 얼마나 강한지 보여 줍니다.

우주망원경의 거울, 인공위성 태양전지판, 심장 스텐트가 모두 접어서 넣고 펼치는 물건입니다.

계단 넷 — 같은 사실을 네 깊이로

초4 · 초5 — 손으로 해 본다

종이를 접어 별을 한 번에 오려 본다

종이에 대칭인 하트나 별 모양을 그리고 선을 따라 대칭축으로 반을 접어 봅니다. 한 번 더 접어 선들이 하나로 겹치게 맞춘 뒤 가위로 싹둑 잘라 보세요.

종이를 펼치면 완벽한 모양이 오려집니다. 종이를 접을 때 선들이 정확히 하나의 직선 위로 포개어지도록 접는 법을 손으로 직접 찾아보세요.

접어서 한 번에 잘라 보세요

화면에 다각별을 그리고 직선 골격 접는 선을 따라 종이를 완전히 납작하게 접는다
가위질 횟수 —꼭짓점 수 —접는 자국 —
수십 번 꺾인 복잡한 별 모양 다각형인데, 그런데 모든 변이 납작하게 접히며 직선 단 한 줄로 완벽히 포개진다
복잡한 별 모양도 종이를 딱 맞게 접으면 가위질 단 한 번으로 쏙 빠져나온다
중1 · 중2 — 까닭을 찾는다

접는 선이 각의 이등분선인 까닭

다각형의 변들을 한 직선 위에 나란히 겹치게 접으려면 각 꼭짓점에서 나오는 내각의 이등분선을 따라 종이를 접어야 합니다.

각의 이등분선을 따라 접어 두 변을 한 직선에 포개는 원리
각의 이등분선을 따라 접어 두 변을 한 직선에 포개는 원리

각의 이등분선 위에 있는 점은 두 변까지의 거리가 같습니다. 종이의 모든 변에서 같은 속도로 벽을 안쪽으로 밀고 들어온다고 상상할 때 생기는 경계선들을 따라 접으면 모든 다각형의 변이 정확히 한 직선 위에 일치하게 됩니다.

접는 자국을 세어 보세요

다각형의 각 꼭짓점에서 내각의 이등분선(직선 골격, Straight Skeleton)을 켠다
접는 자국 —꼭짓점 —골짜기 접기 —
견줄 자리에서는 —몇 배 —
임의의 각도로 꺾인 모서리라도, 그런데 각이등분선을 축으로 접으면 양쪽 변이 정확히 겹쳐져 1차원 선분으로 정렬된다
모서리 각도를 정확히 반으로 접으면 양쪽 선이 쌍둥이처럼 딱 붙는다
고1 · 고2 — 넓혀 본다

직선 골격(straight skeleton)

이 접는 선의 패턴을 계산기하학에서는 직선 골격(Straight Skeleton)이라 부릅니다. 다각형의 각 변을 안쪽으로 평행 이동시킬 때 모서리가 쓸고 지나가는 궤적입니다.

다각형의 변을 안쪽으로 밀어 생성되는 직선 골격의 궤적
다각형의 변을 안쪽으로 밀어 생성되는 직선 골격의 궤적

모든 평면 다각형에 대해 직선 골격과 수직선을 조합하면 모든 변을 단일 평면상의 한 선분으로 일치시키는 평평한 접기(Flat Folding) 패턴이 항상 존재함이 에릭 드메인(Erik Demaine) 등에 의해 수학적으로 증명되었습니다.

마에카와 정리

한 꼭짓점에 모이는 산접기(Mountain)와 골접기(Valley) 선의 개수 및 각도를 조절한다
차이 —골 접기 —모든 주름 —
종이가 완전히 납작하게 접히려면, 그런데 꼭짓점에 모이는 산접기와 골접기 선 수의 차이가 항상 정확히 2여야 하고 교대 각도의 합이 180°여야만 납작해진다
종이가 납작하게 착 달라붙으려면 튀어나온 주름과 들어간 주름의 개수 차이가 무조건 2개여야 한다
대학 — 어디까지 가나

접기 기하학

접고 자르기 정리(Fold-and-Cut Theorem)는 계산 접기 기하학(Computational Origami)의 위대한 성취입니다. 1999년 완성된 보편적 알고리즘은 임의의 직선 다면체 경계선에 대해서도 작동합니다.

이 기하학적 원리는 우주 망원경의 태양광 패널 접기, 체내에서 스스로 펼쳐지는 의료용 스텐트 및 나노 로봇, 충돌 흡수 메커니즘 등 첨단 공학 설계의 핵심 이론으로 활발히 응용되고 있습니다.

가와사키 정리

각을 밀어 보세요.
있어야 할 합 —지금 합 —차이 —
홀수 번째 각의 합 = 짝수 번째 각의 합 = 180°.
종이접기는 기하학의 규칙을 그대로 따릅니다.

풀어 보기

중학교 · 고등학교 수준  ·  답은 검산을 마쳤습니다

종이접기와 가위질. 두 변이 이루는 각이 인 종이의 모서리 부근에 그려진 두 선분을 한 번의 가위질로 동시에 오려내려 한다.

(1) 두 선분이 정확히 겹치도록 접으려면 접는 선은 두 선분이 이루는 각을 몇 도로 나누어야 하는가?
(2) 삼각형의 세 변을 한 직선 위에 포개어 한 번에 자르기 위해 필요한 삼각형 내부의 접는 선 세 개는 삼각형의 어떤 중심에서 만나는가?
(3) 임의의 다각형을 한 번의 가위질로 오려낼 수 있게 만드는 접는 선의 뼈대 구조의 이름을 쓰시오.

(2) 세 내각의 이등분선이 만나는 점은 삼각형의 내심(Incenter)입니다.

답과 풀이 보기

(1) 이등분해야 합니다 — 두 선분이 이루는 각의 각의 이등분선이 접는 선입니다.
종이의 두 변이 를 이룬다면 접는 선은 그 사이를 씩 똑같이 나눕니다. 그래야 접었을 때 한 선분이 다른 선분 위에 정확히 포개집니다.

(2) 내심(세 내각의 이등분선이 만나는 점)입니다.
세 변을 한 직선 위에 포개려면 세 각을 모두 이등분해야 하는데, 그 세 이등분선은 한 점에서 만납니다. 그 점은 세 변에서 같은 거리에 있어 내접원의 중심이 됩니다.

(3) 직선 골격(straight skeleton)입니다.
다각형의 변을 안쪽으로 나란히 밀어 넣을 때 꼭짓점이 지나간 자국이 뼈대가 됩니다. 여기에 수직인 보조 접는 선을 더하면 어떤 다각형이든 한 번의 가위질로 오려집니다 (1998 년 데메인·데메인·루빅).

별 하나를 오리려고 가위를 여러 번 대신 적이 있으신가요. 접는 자리만 알면 가위질은 언제나 딱 한 번입니다. 1721 년 일본의 수수께끼 책에도 이미 이 문제가 실려 있었습니다.

만지는 수학으로 손에 쥐어 보기

이 장과 이어지는 「만지는 수학」 칼럼입니다. 손끝으로 직접 끌고 눌러 보며 같은 생각을 몸으로 겪을 수 있습니다.

더 멀리

접기의 수학은 실제 기술이 되었습니다.

이어지는 장

종이를 접고 접어 단 한 번의 직선 가위질로 복잡한 다각형을 오려내는 기하학적 접기의 원리는, 종이를 접는 횟수의 한계와 기하급수적 두께를 탐구한 제31장 과 함께 종이접기 속에 담긴 놀라운 수학을 펼쳐 보여 줍니다.

영감을 받은 곳

1721년 일본 에도 시대의 와산가 무라마쓰 시게키요의 책 『간센진코키』(勘泉塵劫記)와 1922년 마술사 해리 후디니의 기록에 등장하며, 1999년 에릭 드메인(Erik Demaine) 등이 직선 다각형에 대한 완전한 수학적 정리를 증명했습니다.

올린 그림 — 크게 보고 고치기

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