理发师问题是指将剖分等边三角形为正方形的问题的名称。Demaine等人。(2024) 总结了这个问题 history。杜德尼在他 1902 年 4 月 6 日的专栏中提出了这个问题,但没有明确表明是否已知解决方案。在他专栏的下一期(1902 年 4 月 20 日),杜德尼给出了一个五片解法,同时指出曼彻斯特的 C. W. McElroy 找到了一个四片解法。
在接下来的专栏(1902 年 5 月 4 日)中,杜德尼展示了上面图示的四片解法,但没有明确指出这种剖分是杜德尼还是 McElroy 的成果(Frederickson 1997, Frederickson 2002, Demaine等人。2024)。这个谜题和解决方案后来以“理发师谜题”的名称出现在杜德尼 (1908) 的著作中。
如上图所示标记剖分(Amplify Education)。然后三角形 的顶点对应于正方形中的一个点
。另一方面,三角形中的点
和
各自分叉成两个独立的点,分别对应于正方形的不同顶点。在图中,
且
,(因此
和
分别平分
和
),
,且
。此外,由于点
和
成为正方形的顶点,因此角
、
、
和
都是直角。
设正方形具有单位边长和面积,则有四个不同的边长,按从小到大排列为
(1)
| |||
(2)
| |||
(3)
| |||
(4)
|
这些边长分别对应于一条直角边长为 ,斜边长为
的等腰直角三角形;一条边长为
和
的菱形;以及两个镜像四边形,它们的边长为
、
、
、
,包含一个直角。这种四边形可以称为“理发师四边形”。
令人惊奇的是,这种剖分不仅允许将等边三角形仅用三刀剖分为正方形,而且所得的四个部分可以铰接,以便它们可以折叠成等边三角形或正方形(Gardner 1961, p. 34; Stewart 1987, p. 169; Wells 1991, pp. 61-62)。
Demaine等人。(2024) 证明了等边三角形和正方形没有少于三个多边形块的公共剖分,从而确定了杜德尼的剖分是最优的。