那些帶你入坑的拼圖“魔術”:錯覺中的數學原理(一)

那些帶你入坑的拼圖“魔術”:錯覺中的數學原理(一)

01--拼圖魔術:消失的正方形

有一個很有名的拼圖魔術,叫“消失的正方形”。如下圖,由四塊(兩個直角三角形、兩個L形)拼成一個大直角三角形。在這個大直角三角形中,平移其中的三塊位置後,憑空多出一個小方塊,還原這三塊的位置後,這個小方塊又消失了。

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觀眾都覺得不可思議,這是怎麼回事呢?

首先要說明是這個魔術並沒有作弊。ta只是巧妙地抓住了普通觀眾普遍具有的數學認知:四小塊,剛好填滿大直角三角形,這一點不會變化。但展現在觀眾眼前事實是:平移其中的三個小塊後,這個大直角三角形卻未被填滿,空出了一個小方塊。從而在觀眾心裡產生巨大的認知衝突,將觀眾陷入於不惑境地,分不清內心的認知與眼前的事實孰是孰非。

02--簡單的數學思考

作為魔術表演,不得不佩服這個節目創意的巧妙,但其背後的數學邏輯是什麼呢?我們用簡單的數學知識來揭秘一下。

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圖2--平移前

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圖3--平移後

節目的道具(如圖2,3):兩個小直角三角形,直角邊分別為2,5和3,8;兩個L形可以拼成一個長寬分別為5,3的矩形。因而,這四個小塊的總面積=1/2(2x5+3x8)+5x3=32。而大直角三角形的兩條直角邊分別為5,13,其面積=1/2(5x13)=32.5。經過簡單的計算,有了一個驚人的發現:這兩個面積不等!32≠32.5,說明了什麼?說明了當初這四個小塊並沒有塞滿那個所謂“大直角三角形”。如果說塞滿的話,那個“大直角三角形”就應該等於32,而不是32.5。

但我們看到的事實:四個小塊確實把那個“大直角三角形”塞得嚴絲合縫,滿滿當當呀?真相即在眼前,但眼見一定為實嗎?魔術師往往利用人們相信的這句名言,來“欺騙”觀眾的眼睛。

現在只剩下一種可能性:四個小塊做不了“手腳”,但那個所謂的“大直角三角形”呢?由前面的計算可知,32≠32.5,說明了四個小塊塞滿的不是大直角三角形,而是一個很像直角三角形的東東。這個東東多像直角三角形呢?像到足以欺騙觀眾的眼睛,像到一開始就讓觀眾落入魔術師給你挖好一個大坑:四個小塊拼成一個大直角三角形!

03--這個坑到底有多深

四個小塊到底拼成一個什麼形?

從相似的角度看:其中的兩個小直角三角形的對應邊之比5:8≠2:3,說明兩個直角三角形不相似,因而其斜邊不可能共線,即組合以後兩個直角三角形的斜邊不可能在同一條直線上。因而,兩個直角三角形斜邊的三個頂點不是三點共線,而是三點不共線。還說明白一點,兩個直角三角形與兩個L形組合以後,壓根兒不是直角三角形,而是一個四邊形。這個四邊的一個內角非常非常接近平角(180°)。

下面計算一下,組合以後的兩個直角三角形的斜邊所成的角度。

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如圖,直線AB的斜率k1=3/8,直線BC的斜率k2=2/5,根據兩條直線的夾角公式:

tanθ=|(k1-k2)/(1+k1.k2)|=1/46,

θ=arctan(1/46)≈1.25°,

此時,∠ABC=180°-θ=178.75°。

178.75°與180°之間相差1.25°,這一丁點差距,視覺上是感覺不到的,因而魔術師是利用了觀眾視覺的錯覺(178.75°=180°),挖下的大坑。

04--為什麼多出一個方塊而不是半個

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由前面計算的面積之差=0.5,剛好是半個小方塊,平移後卻多出1個小方塊(面積=1),又是咋回事呢?平移以後兩個L形所在的矩形區域的面積=2x8=16,平移前兩個L形組成矩形面積=3x5=15,16-15=1,1剛好是一個小方塊,平移前後唯一有變化的就是,兩個L形所在矩形區域面積,發生了變化。因而,前面的面積差0.5與這個兩個矩形區域的面積等於1,沒有任何關係,這也可以說是這個魔術師預設的第二坑:即便有聰明觀眾發現面積有貓膩,仍可以用半個和一個(小方塊)來迷惑這部分“覺悟”的觀眾,讓戲演得更真喲!

05--結語

1.滿地都是坑,莫怪魔術套路深,只怪沒有慧眼睛。俗話說耳聽為虛,眼見為實。在魔術的世界裡(細想也不僅限於此),眼見也不見得為真,真相建立在理性思考基礎之上。

2.1953年美國業餘魔術師保羅·嘉理(Paul Curry)發明了這個魔術,1963年,美國業餘數學大師馬丁·加德納將此整理成一道圖形分割悖論,發表在《科學美國人》雜誌上,引起讀者興趣和廣泛傳播,其實圖形分割悖論的原理從十九世界末就已為數學家所知了。

3.還有更神奇之處,這個魔術中,將圖形的邊長涉及的數,從小到大排成一列為1,2,3,5,8,13,這些數剛好都是裴波那契數(列)喲,我也是跪了。魔術師保羅·嘉理讀書時一定是個數學學霸,你呢?

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