折紙 おりがみ の数学 すうがく (おりがみのすうがく)の記事 きじ では、折 お り紙 がみ に関連 かんれん した数学 すうがく について記述 きじゅつ する。また、折 お り紙 がみ の科学 かがく 国際 こくさい 会議 かいぎ という会議 かいぎ 名 めい が示 しめ すように、折 お り紙 がみ には、数学 すうがく よりもっと広 ひろ い科学 かがく 分野 ぶんや の(例 れい としては構造 こうぞう 力学 りきがく など。あるいは科学 かがく よりも広 ひろ い「STEM 」の技術 ぎじゅつ や工学 こうがく にも)応用 おうよう がある。
紙 かみ を折 お り曲 ま げる芸術 げいじゅつ である折 お り紙 がみ に対 たい しては、様々 さまざま な数学 すうがく 的 てき 研究 けんきゅう が行 おこな われてきた。古 ふる くから関心 かんしん をもたれてきた分野 ぶんや は、作品 さくひん を傷 いた めることなく折紙 おりがみ 作品 さくひん を平 たい らに折 お り畳 たた むことができるかどうか (flat-foldability) と、紙 かみ を折 お ることで数学 すうがく の方程式 ほうていしき を解 と くことができるかどうかなどである。
過去 かこ には自明 じめい な数学 すうがく の応 おう 用例 ようれい (特 とく に、いわゆる初等 しょとう 幾何 きか 学 がく の)と見 み られがちなこともあったが、角 かく の三 さん 等分 とうぶん などが可能 かのう である「折 お り紙 がみ 幾何 きか 学 がく 」という分野 ぶんや の発見 はっけん や、創作 そうさく 折 お り紙 がみ の分野 ぶんや で「設計 せっけい 」と呼 よ ばれる、完成 かんせい 形 がた を想定 そうてい して折 お り方 かた を得 え る逆 ぎゃく 問題 もんだい として捉 とら える手法 しゅほう 、コンピュータ の応用 おうよう 、また離散 りさん 数学 すうがく の研究 けんきゅう 対象 たいしょう としてなど、広 ひろ く研究 けんきゅう されている。
折紙 おりがみ に関 かか わる学術 がくじゅつ 的 てき 探求 たんきゅう 活動 かつどう を折 お り紙 がみ による作品 さくひん づくりと区別 くべつ するため、芳賀 はが 和夫 かずお は1994年 ねん の第 だい 2回 かい 折 お り紙 がみ の科学 かがく 国際 こくさい 会議 かいぎ において世界 せかい 共通 きょうつう 語 ご である折 お り紙 がみ (origami) に数学 すうがく (mathematics) などの学術 がくじゅつ ・技術 ぎじゅつ を表 あらわ す語尾 ごび (-ics) を合 あ わせてオリガミクス (origamics) という名称 めいしょう を提唱 ていしょう した。海外 かいがい でも話題 わだい になったが、この名称 めいしょう それ自体 じたい は紙 かみ を切 き って折 お りして作 つく る立体 りったい origamicの複数 ふくすう 形 がた と混同 こんどう されるため、定着 ていちゃく しなかった。
一般 いっぱん に、正方形 せいほうけい から折紙 おりがみ で、三角形 さんかっけい 、五角形 ごかっけい 、六角形 ろっかっけい といったいくつかの正多角形 せいたかっけい を作 つく ること、あるいは、黄金 おうごん 長方形 ちょうほうけい や白銀 はくぎん 長方形 ちょうほうけい といった、いくつかの特徴 とくちょう 的 てき な比 ひ の長方形 ちょうほうけい を作 つく ることは、初等 しょとう 幾何 きか の範囲 はんい の問題 もんだい であり、折 お り紙 がみ でも基本 きほん 的 てき には容易 ようい である。
定規 じょうぎ とコンパスによる作図 さくず の問題 もんだい で、長 なが い間 あいだ 解 と くことのできなかった問題 もんだい があるが、そのうちいくつかは不可能 ふかのう と証明 しょうめい された。不可能 ふかのう と証明 しょうめい されたうち、角 かく の三 さん 等分 とうぶん と立方体 りっぽうたい 倍 ばい 積 せき の問題 もんだい は、折 お り紙 がみ においては不自然 ふしぜん ではない操作 そうさ によって解 と く事 こと が出来 でき る[1] 。また、折 お り紙 がみ を用 もち いた4次 じ 方程式 ほうていしき までの方程式 ほうていしき の解法 かいほう が発見 はっけん されている。一般 いっぱん に定規 じょうぎ とコンパスによる作図 さくず に対応 たいおう する操作 そうさ が折 お り紙 がみ にもあることはよく知 し られているが[2] 、定規 じょうぎ とコンパスの範囲 はんい を越 こ える操作 そうさ について、考察 こうさつ がおこなわれており、特 とく に藤田 ふじた 文章 ふみあき らによる折 お り紙 がみ 公理 こうり は、この分野 ぶんや の研究 けんきゅう に非常 ひじょう に役立 やくだ っている。折紙 おりがみ 研究 けんきゅう の結果 けっか 、芳賀 はが 定理 ていり などの方法 ほうほう で正方形 せいほうけい の一辺 いっぺん を3分 ぶん の1、5分 ぶん の1、7分 ぶん の1、および9分 ぶん の1に正確 せいかく に折 お ることが可能 かのう となった。
正方形 せいほうけい あるいは任意 にんい の紙 かみ に、折 お り線 せん が与 あた えられた時 とき 、その折 お り線 せん に沿 そ った折紙 おりがみ が可能 かのう かどうか、さらにはそれが平面 へいめん に収 おさ まるかどうか、は興味深 きょうみぶか い問題 もんだい のひとつである。
マーシャル・ベルン (Marshall Bern) とバリー・ヘイズ (Barry Hayes) は山 やま 折 お りや谷 たに 折 お りの指定 してい が無 な い折 お り図 ず が与 あた えられたとき、それが全体 ぜんたい として平面 へいめん に折 お りたためるかどうかはNP完全 かんぜん 問題 もんだい であると証明 しょうめい した[3] 。更 さら に詳 くわ しい情報 じょうほう や技術 ぎじゅつ 的 てき 結果 けっか についてはGeometric Folding Algorithms [4] のPart IIを参照 さんしょう 。
部分 ぶぶん について折 お りたためるかどうかについては、いくつかの条件 じょうけん があきらかになっている。前川 まえかわ 定理 ていり は、あるパターンが平 たい らに折 お りたためるかどうかの必要 ひつよう 条件 じょうけん を示 しめ している。さらに川崎 かわさき 定理 ていり (川崎 かわさき 敏和 としかず による。en:Kawasaki's theorem )[5] は、必要 ひつよう 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん が、その展開 てんかい 図 ず においてそれぞれの交点 こうてん の周 まわ りにある全 すべ ての角 かく の数列 すうれつ
a
1
,
…
,
a
2
n
{\displaystyle a_{1},\ldots ,a_{2n}}
が条件 じょうけん
a
1
+
a
3
+
⋯
+
a
2
n
−
1
=
a
2
+
a
4
+
⋯
+
a
2
n
=
180
∘
{\displaystyle a_{1}+a_{3}+\cdots +a_{2n-1}=a_{2}+a_{4}+\cdots +a_{2n}=180^{\circ }}
を満 み たすことだと示 しめ した。い換 いか えると、交点 こうてん を囲 かこ む角 かく の一 ひと つおきの角度 かくど の和 わ が
180
∘
{\displaystyle 180^{\circ }}
に等 ひと しいことである[6] 。
産業 さんぎょう 的 てき な応用 おうよう につながりやすいものとしては「剛体 ごうたい 折紙 おりがみ 」がある(en:Rigid origami )。紙 かみ と違 ちが ってしなやかさのない硬 かた い平面 へいめん を、折 お り線 せん でちょうつがいなどで接合 はぎあわ したようなものとして扱 あつか うもので、曲 ま げる位置 いち を移動 いどう させつつ折 お ることが必要 ひつよう な操作 そうさ などをできないものとする。以上 いじょう の制約 せいやく の結果 けっか として可能 かのう なパターンが一般 いっぱん 的 てき な折 お り紙 がみ よりも制限 せいげん される。平面 へいめん の厚 あつ みについても無視 むし しない場合 ばあい もあり、そういった制限 せいげん により建材 けんざい などによる構成 こうせい に応用 おうよう できるのである。具体 ぐたい 例 れい としてはミウラ折 お り がある。ミウラ折 お りは地図 ちず など身近 みぢか に利用 りよう されているが、宇宙 うちゅう 構造 こうぞう 物 ぶつ での利用 りよう が検討 けんとう されている技法 ぎほう のひとつでもあり、「宇宙 うちゅう 実験 じっけん ・観測 かんそく フリーフライヤ 」の2DSAモジュールによって実際 じっさい に宇宙 うちゅう で実験 じっけん された。
ミウラ折 お りや吉村 よしむら パターンは、平面 へいめん を同 どう 一 いち パターンで敷 し き詰 つ める「折 お り紙 がみ テセレーション」というテーマの折 お り紙 がみ でもある。一般 いっぱん にテセレーションとはくりかえし紋様 もんよう による敷 じ き詰 づ めのことであるが、折 お り紙 がみ として成立 せいりつ するパターンであることが「折 お り紙 がみ テセレーション」ではまず必要 ひつよう となる。折 お った後 のち の様態 ようたい はさまざまである。折 お った後 のち も平面 へいめん になるものや立体 りったい になるもの、ミウラ折 お りのように畳 たた み込 こ まれるものもある。
平 たい らな紙 かみ は表面 ひょうめん のどの点 てん においてもガウス曲 きょく 率 りつ が0(即 すなわ ち可 か 展 てん 面 めん )である。よって折 お り目 め は本来 ほんらい 曲 きょく 率 りつ 0の直線 ちょくせん である。しかし濡 ぬ れた紙 かみ や指 ゆび の爪 つめ でしわをつけた紙 かみ など、平 たい らでなくなった紙 かみ においては最早 もはや この曲 きょく 率 りつ の条件 じょうけん はあてはまらない。
曲線 きょくせん 折 お りによる曲線 きょくせん 折 お り紙 がみ は、(非常 ひじょう に難 むずか しい)いくつかの課題 かだい をもたらす[7] 。曲線 きょくせん 折 お り紙 がみ により、紙 かみ に平面 へいめん でない可 か 展 てん 面 めん を作 つく ることができる(これは円錐 えんすい 面 めん のような、あくまで可 か 展 てん 面 めん を扱 あつか う折 お り紙 がみ であり、前 まえ の段落 だんらく の話 はなし とはつながっていない)。難 むずか しい課題 かだい の1例 れい として、等間隔 とうかんかく の同心円 どうしんえん を交互 こうご に山 やま と谷 たに に折 お ると、サドル(鞍 くら )に似 に た独特 どくとく の形状 けいじょう (Curved creases)があらわれるが、その形状 けいじょう がいかなる数式 すうしき で表 あらわ されるべきものであるか、まだ明確 めいかく にはわかっておらず研究 けんきゅう 中 ちゅう 、というものがある(なお、この形状 けいじょう は材料 ざいりょう の微妙 びみょう な伸 の び縮 ちぢ みにより成立 せいりつ している可能 かのう 性 せい もあり、もしそうであれば可 か 展 てん 面 めん を扱 あつか う課題 かだい ではないということになる)[8] 。曲線 きょくせん 折 お りの先駆 せんく 的 てき な研究 けんきゅう 者 しゃ に、ハフマン符号 ふごう で有名 ゆうめい な David A. Huffman がいる。[9]
高 こう 次元 じげん の折 お り紙 がみ を考 かんが えることもできる。通常 つうじょう の折 お り紙 がみ は裏表 うらおもて のある2次元 じげん 平面 へいめん を3次元 じげん 空間 くうかん 内 ない で1次元 じげん 直線 ちょくせん で折 お るものである。これを一般 いっぱん 化 か すると、
n
+
1
{\displaystyle n+1}
次元 じげん 空間 くうかん 内 ない で、
n
{\displaystyle n}
次元 じげん の超 ちょう 平面 へいめん を、
n
−
1
{\displaystyle n-1}
次元 じげん の面 めん で折 お ることになる。例 たと えば、4次元 じげん 空間 くうかん で、3次元 じげん 空間 くうかん という紙 かみ を折 お るとき折 お り線 せん の役割 やくわり は通常 つうじょう の平面 へいめん がなす。このような4次元 じげん 折 お り紙 がみ では、その局所 きょくしょ 構造 こうぞう は球面 きゅうめん の平坦 へいたん 折 お り紙 がみ と同 おな じものになる[10] 。
1方向 ほうこう へ半分 はんぶん に紙 かみ を折 お るための損失 そんしつ 関数 かんすう は
L
=
π ぱい
t
6
(
2
n
+
4
)
(
2
n
−
1
)
{\displaystyle L={\tfrac {\pi t}{6}}(2^{n}+4)(2^{n}-1)}
で表 あらわ される。ここで
L
{\displaystyle L}
は紙 かみ (もしくは他 た の素材 そざい )の最小限 さいしょうげん の長 なが さ、
t
{\displaystyle t}
は素材 そざい の厚 あつ さ、そして
n
{\displaystyle n}
は可能 かのう な折 お り目 め の数 かず である。この関数 かんすう は当時 とうじ まだ高校生 こうこうせい だったブリトニー・ギャリヴァン (en ) によって2001年 ねん に与 あた えられた。ギャリヴァンはどんなに大 おお きい紙 かみ でも最大 さいだい でも8回 かい しか折 お り曲 ま げられないだろうという当時 とうじ の俗信 ぞくしん に反 はん し、12回 かい 半分 はんぶん に折 お り曲 ま げることに成功 せいこう した[11] 。
エアバッグ の折 お り畳 たた みや医療 いりょう 用 よう のステントグラフトへの応用 おうよう も研究 けんきゅう されている[12] 。
幾何 きか 学 がく の歴史 れきし の中 なか でユークリッド幾何 きか 学 がく に代 か わる新 あら たな作図 さくず 法 ほう が無 な いか研究 けんきゅう され、1896年 ねん にスンダラ・ロー (Sundara Row) が紙 かみ の折 お り目 め に注目 ちゅうもく し幾何 きか 学 がく の分野 ぶんや での研究 けんきゅう を著 あらわ した「折紙 おりがみ の幾何 きか 学 がく 的 てき 演習 えんしゅう 」を出版 しゅっぱん した[13] 。この本 ほん は当時 とうじ 、あまり注目 ちゅうもく されなかったが後 のち にドイツの数学 すうがく 者 しゃ フェリックス・クライン の目 め に留 と まりこの分野 ぶんや の研究 けんきゅう に注目 ちゅうもく が集 あつ まった[14] 。
1924年 ねん 、C・A・ラップ の「折紙 おりがみ の操作 そうさ 」、1935年 ねん と1936年 ねん にはマルガリータ・ピアツォラ・ベロック (Margarita Piazzolla Belloc) の論文 ろんぶん 「幾何 きか の問題 もんだい を折紙 おりがみ で解 と く」、「3次 じ と4次 じ の方程式 ほうていしき を折紙 おりがみ で解 と く」が後 のち に続 つづ いたが、その後 ご 研究 けんきゅう は一時 いちじ 下火 したび になった[14] 。日本 にっぽん では1970年代 ねんだい に数 かず セミ に伏見 ふしみ 康治 こうじ による幾何 きか 学 がく と折 お り紙 がみ に関 かん する記事 きじ が掲載 けいさい され、1979年 ねん に単行本 たんこうぼん 『折 お り紙 がみ の幾何 きか 学 がく 』が刊行 かんこう されている(これは、幾何 きか 学 がく に関 かん しては初等 しょとう 幾何 きか を拡張 かくちょう した「折紙 おりがみ 幾何 きか 」的 てき な内容 ないよう はあまり扱 あつか っていない)。1989年 ねん 12月、イタリアで行 おこな われた第 だい 1回 かい 折 お り紙 がみ の科学 かがく 国際 こくさい 会議 かいぎ が行 おこな われたことで再 ふたた び注目 ちゅうもく を浴 あ びることになった。このとき出 だ された会報 かいほう は現代 げんだい の折紙 おりがみ に対 たい する研究 けんきゅう に大 おお きく寄与 きよ し、編者 へんしゃ ベネデット・シメーミ (Benedetto Scimemi) と共同 きょうどう 研究 けんきゅう 者 しゃ 藤田 ふじた 文章 ふみあき はこの分野 ぶんや の研究 けんきゅう の草分 くさわ けとなった。近年 きんねん では舘 たて 知宏 ともひろ (東大 とうだい )、三谷 みたに 純 じゅん (筑波大 つくばだい )らによる成果 せいか が顕著 けんちょ である。
^ Origami Geometric Constructions(英語 えいご )
^ たとえば伏見 ふしみ の『折 お り紙 がみ の幾何 きか 学 がく 』を見 み よ
^ The Complexity of Flat Origami(英語 えいご )
^
Demaine, Erik; O'Rourke, Joseph (July 2007), Geometric Folding Algorithms: Linkages, Origami, Polyhedra , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-85757-4 , http://www.gfalop.org
^ なお、1970年代 ねんだい に伏見 ふしみ 康治 こうじ とハフマン(ハフマン符号 ふごう で知 し られる)がこの問題 もんだい に関 かん して検討 けんとう している。
^ ジョセフ・オルーク 著 ちょ 、上原 うえはら 隆平 りゅうへい 訳 やく 『折 お り紙 がみ のすうり : リンケージ・折 お り紙 がみ ・多面体 ためんたい の数学 すうがく 』近代 きんだい 科学 かがく 社 しゃ 、2012年 ねん 。ISBN 978-4764904217 。
^ Siggraph: "Curved Origami"
^ http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/sep/18/physicists-unfold-the-mechanics-of-origami
^ この分野 ぶんや は、三谷 みたに 『曲線 きょくせん 折 お り紙 がみ デザイン 曲線 きょくせん で折 お る7つの技法 ぎほう 』( ISBN 978-4-535-78866-4 )により概観 がいかん できる。
^ 川崎 かわさき 敏和 としかず ,高 こう 次元 じげん の平坦 へいたん 折 お り紙 がみ について,佐世保工業高等専門学校 させぼこうぎょうこうとうせんもんがっこう 研究 けんきゅう 報告 ほうこく ,第 だい 25号 ごう ,187--195(1988)
^
Weisstein, Eric W. "Folding" . mathworld.wolfram.com (英語 えいご ).
^ http://wired.jp/wv/2008/01/15/%e3%80%8corigami%e3%80%8d%e3%82%92%e3%80%81%e5%8c%bb%e7%99%82%e5%99%a8%e5%85%b7%e3%82%84%e6%9c%9b%e9%81%a0%e9%8f%a1%e3%81%ae%e6%8a%98%e3%82%8a%e7%95%b3%e3%81%bf%e3%81%ab%e5%bf%9c%e7%94%a8/
^ T. Sundara Row, "Geometric exercises in paper folding", (1896) [1] , [2]
^ a b 折紙 おりがみ の数学 すうがく ―ユークリッドの作図 さくず 法 ほう を超 こ えて(ゲレトシュレーガー 著 しる 、深川 ふかがわ 英俊 ひでとし 訳 わけ 、森北 もりきた 出版 しゅっぱん 、2002年 ねん 4月 がつ 30日 にち )ISBN 978-4627016811
伏見 ふしみ 康治 こうじ , 伏見 ふしみ 満枝 みつえ 『折 お り紙 がみ の幾何 きか 学 がく 』(増補 ぞうほ 新版 しんぱん )日本 にっぽん 評論 ひょうろん 社 しゃ 、1984年 ねん 。ISBN 4535781397 。
多面体 ためんたい の折紙 おりがみ -正 せい 多面体 ためんたい ・準 じゅん 正 せい 多面体 ためんたい およびその双対 そうつい -(川村 かわむら みゆき著 しる 、日本 にっぽん 評論 ひょうろん 社 しゃ 、1995年 ねん 12月10日 にち )
オリガミクスI【幾何 きか 図形 ずけい 折 お り紙 がみ 】(芳賀 はが 和夫 かずお 著 ちょ 、日本 にっぽん 評論 ひょうろん 社 しゃ 、1999年 ねん 10月 がつ 10日 とおか )
オリガミクスII【紙 かみ を折 お ったら,数学 すうがく が見 み えた】(芳賀 はが 和夫 かずお 著 ちょ 、日本 にっぽん 評論 ひょうろん 社 しゃ 、2005年 ねん 8月 がつ 30日 にち )
『折紙 おりがみ の数学 すうがく ユークリッドの作図 さくず 法 ほう を超 こ えて』ISBN 4627016816
Kazuo Haga edited by Josefina C Fonacier and Masami Isoda. Origamics: Mathematical Explorations through Paper Folding, World Scientific, NJ, 2008. ISBN 978-981-283-489-8