ユニット折り紙

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数学月間SGK通信 ［2016.03.29］ No.108
<<数学と社会の架け橋＝数学月間>>
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桜の季節がやって来ました．皆様のまわりはどうでしょうか．
私はこのところユニット折り紙に凝っています．今日はその話です．
ユニット折り紙とは，多数のユニットをつないで多面体を作る方法です．
1つのユニットは同じ大きさの直角3角形4個が連なった帯の様な形です．
まず，12枚のユニットで作られる多面体を取り上げましょう．
(Fig1)http://blogs.c.yimg.jp/res/blog-09-2d/tanidr/folder/572283/36/17363336/img_0?1458990114

ユニット内の4つの直角3角形の両端のものはつなぎに使われますから，
立体の面となる直角3角形はユニットあたり２つ（合わせて正方形）です．
この立体の形は正8角面体の面の上に頂角が直角のピラミッドが乗っている形です．
1つのピラミッドは3枚のユニットで構成されています．
この立体をユニット色紙で塗り分ける方法を考察しました．
正8面体の各頂点のまわりに4回対称軸（それぞれ，x軸，y軸，z軸の方向）が3本あります．
色の巡回置換を4回対称軸に結び付けると4色要りますので，
全体を4色で対称操作と矛盾しないように塗り分けてみましょう．

■展開図
これから作るのは正8面体の展開図で，正三角形の面の上のピラミッドは
正8面体の面に射影してぺちゃんこになっています．
（fig.2）http://blogs.c.yimg.jp/res/blog-09-2d/tanidr/folder/572283/65/17360665/img_0_m?1458989502
展開図の塗り分けをもとに，ユニット折り紙を組み立てます．
このような色の配置は実際にユニット折り紙で実現可能です．作ってみてください．
ユニット折り紙の規則では２つのピラミッドをつなぐユニットは
1つのみですから，展開図の三角形の辺を越えて，対角上に同色の配置を作ります．
展開図では，もう一つの対角上にも同色がある（辺を挟んで×になる配置）
ように思うかもしれませんが，そちらは1つのユニットではありません．
辺の両側で分かれている別々のユニット（同色だが）です．
４色のバリエーションはいくらでもありますが，配置に関しての解はただ一つのようです．
ただし，ユニットの作り方で右回りと左回りのものがあります．

■得られた立体の性質
正8面体の各頂点にある4回回転軸（3本あります）で4色置換が起こり，
正８面体の面の真ん中を通る3回軸（4本あります）は，1色は保存し，
残る3色を置換するということがわかるでしょう．
もちろん辺の真ん中を通る6本の2回軸の色置換も完璧です
この立体を眺めると立体の周りに，4つの色の帯の大円が見えます．
各色の帯の大円は，各3回軸を地球の地軸と見立てたとき赤道に相当します．
そして，その3回軸が保存する色が，帯状に現れるのです．

4色置換が行われる4回回転軸（3本）は，外から見て右回りに以下の順です：
x軸：黄→ピンク→青→緑，
y軸：黄→ピンク→緑→青，
z軸：黄→青→ピンク→緑

3色置換が行われる3回回転軸（4本）は，
黄→緑→青（保存：ピンク），黄→緑→ピンク（保存：青），
ピンク→青→緑（保存：黄），黄→青→ピンク（保存：緑）

■さらに色々な性質があることに気づきます．－－－－－－－

3回軸は軸の負方向から見ても正方向から見ても同じ順番の置換を起こしますが，
4回軸は軸の負方向から見ると正方向から見た場合と逆順の置換が起こします．
何故でしょうか？

正8面体の骨格をもつ今回の立体では，正３角形が頂点で4つ集まる展開図を作りましたが，
正20面体の展開図では正3角形が頂点で５つ集まります．そして，対称性を保った色の塗り替えは5色が要ります．
展開図で色の配置を考えてください？．
平面の3角格子では，正3角形が頂点に６つ集まります．
6回対称を保った色の塗り分けになるように，展開図で6色の配置を決定してください？．．