Ну давайте сначала разберёмся с постановкой.
Во-первых, под листом бумаги мы будем понимать двумерное многообразие в трёхмерном пространстве, развёртываемое на плоскость (внутренняя геометрия этого многообразия должна совпадать с внутренней геометрией плоскости), причём развёртка на плоскость является областью (связное ограниченное множество), а то, что в исходном состоянии лист ещё не свёрнут, будем определять так: вложение нашего многообразия в трёхмерное пространство однозначно.
Во-вторых, под сгибом мы будем подразумевать непрерывное преобразование одной выпуклой (во внутренней геометрии) подобласти нашего многообразия
в другую его подобласть
: 1) которое не изменяет его внутреннюю геометрию; 2) при котором обе части во внутренней геометрии имеют непустую общую границу, которую и будем называть линией сгиба
.
В третьих, утверждение, которое требуется доказать, сформулируем так: линия сгиба при развёртывании нашего многообразия на плоскость будет лежать на некоторой прямой.
В такой постановке по задаче можно даже попробовать диссертацию защитить (Ph.D.)
Конечно, нижеследующие рассуждения там надо будет разбавить большим количеством воды:
Выберем в области
некоторую точку
, не принадлежащую линии сгиба. Пусть при сгибе она переходит в
.
Рассмотрим теперь произвольную точку линии сгиба
. Стоит отметить, что далее неявно используется единственность
,
и
(во внутренней геометрии), которая вытекает из того, что в исходном состоянии лист ещё не был сложен. В силу выпуклости
отрезок прямой от
до
лежит в
, а значит, кратчайший путь от
до
также полностью принадлежит
. Рассматривая тот же путь как путь от
до
, заключаем, что
лежит на одинаковом расстоянии от
и
. Это всё, напоминаю, во внутренней геометрии. Вот и все рассуждения, дальше всё очевидно.
Дальше можно рассуждать о том, как бы ослабить условие выпуклости. Наверное, до связности можно ослабить, но тогда потребуется не просто непрерывность сгиба, а ещё и существование и непрерывность обратного преобразования. Можно ещё подумать над дальнейшей формализацией слова "вдвое", но принципиально задача решена