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在一個正方體中按以下規則反覆連線,最後會連出多少個交點?

初始時給定一個正方體的8個頂點,作為一個點集。然後反覆執行以下操作:

  1. 對點集中的每一對點,作過它們的直線;

  2. 把這些直線的交點也都加入點集中。

最終點集中的點數會是有限多個?還是可數無窮多個?還是不可數無窮多個?

點集中的點會滿足什麼條件?


點數必定無窮:

第一輪連線,正方體6個面對角線,連出6個面心,構成正八面體

第二輪連線,正方體對面的面心相連(其實只是輔助線),找到平行棱,然後顯然構成平行四邊形,把這個四邊形的對角連起來,連出的點正好在這個正八面體的棱的中點上。

由於對稱性,每條棱的中點都會被連出來。

第三輪連線,我們看正八面體的一個面,這是一個正三角形,三個頂點和三條邊中點都有了,隨便弄兩條中線連起來,找到三角形的重心,也就是正八面體的面心。

正八面體的八個面心,構成一個立方體。

因為這樣做可以做無數次,所以可以弄出無數個立方體,也就是無數個點。

(其實,中線與另兩條邊中點的連線互相平分,交點構成一個小的正三角形,這個小三角形的頂點,正是三個中點構成的正三角形的三邊中點,這個操作也是可以無數次進行的。)

顯然,直線和線段都不影響結果。

點數必定可數:

然後,除了前八個點,後來每個點的坐標,都是兩條已有直線的交點。如果直線方程的係數是有理的,那麼既然是一次方程,解也一定是有理的。但是我們建立坐標系,把正方體弄成貼著卦限的單位正方體,那麼開始的點都是有理數,直線方程也就是有理的,那麼歸納法一下,每個點的坐標都是有理數。那麼點的數量一定是可數的。


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