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拾数笔记

图形的变换

平移、旋转、轴对称是三种全等图形变换:平移是图形沿某个方向移动一定距离,只改变位置;旋转是图形绕一个定点转动一定角度,改变位置和方向;轴对称是图形沿一条直线翻折,直线两边完全重合,改变图形方向,三者都不改变图形的形状和大小。

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刚体变换与非刚体变换对比,刚体变换不改变图形大小与形状;非刚体变换会改变图形尺寸。
刚体变换与非刚体变换对比,刚体变换不改变图形大小与形状;非刚体变换会改变图形尺寸。

在几何学中,平移、轴对称(翻折)和旋转是三种最基础的刚体变换(Rigid Transformation)。

所谓“刚体变换”,用通俗的话来说就是:变换过程中,图形就像一个坚硬的实体,形状和大小完全保持不变(变换前后的图形全等),改变的只是它的位置或朝向。

平移是指将图形沿特定方向(如向右或沿着特定矢量)移动指定距离(如 5 厘米)的几何变换;直观来看,就像在冰面上顺畅地滑行,或者电梯的直线上升与下降一样。

几何平移变换示意图

几何平移变换,平面直角坐标系内,黑色正方形为原像,经过平移得到红色正方形像,各点按相同方向距离移动。

关键特征: - 图形上每一个点移动的方向和距离都完全相同。 - 对应线段平行且相等(或在同一条直线上)。 - 图形的朝向不会改变(原来朝上,平移后依然朝上)。

轴对称是指将图形沿着一条直线进行翻折的几何变换,其唯一的核心要素就是对称轴;直观来看,就像照镜子或者把印有墨水的纸沿折痕对折一样。

几何反射变换示意图

几何反射变换,平面直角坐标系内,黑色矩形为原像,沿标注的反射直线镜像,得到红色矩形像。

关键特征:

  • 对称轴是任意一对对应点连线的垂直平分线。
  • 对应点到对称轴的距离相等。
  • 图形的左右朝向(手性)会颠倒。例如,顺时针排列的顶点翻折后会变成逆时针。

垂直平分线(又称中垂线)是指垂直于一条线段,并且平分该线段的直线。若直线 ll 垂直平分线段 ABAB 于点 MM,则满足 l⊥ABl \perp AB 且 AM=MBAM = MB。它具有一个重要的几何性质:垂直平分线上的任意一点到线段两个端点的距离都相等。

轴对称图形是指单个图形本身的一种几何性质。

如果一个平面图形沿着某一条直线折叠,直线两旁的部分能够完全重合,那么这个图形就叫做轴对称图形,这条直线就是它的对称轴。

心形与正五边形轴对称示例
轴对称实例,心形与正五边形,虚线表示图形的对称轴。

常见示例:

  • 等腰三角形(1条对称轴)
  • 矩形(2条对称轴)
  • 正方形(4条对称轴)
  • 圆(无数条对称轴,任意一条过圆心的直线都是对称轴)

与“轴对称”的区别:

  • 轴对称强调的是两个图形之间的位置与变换关系(图形 A 沿直线翻折后与图形 B 重合)。
  • 轴对称图形强调的是单个图形自身的对称结构特性(图形自身沿直线折叠后左右重合)。

旋转是指将图形绕着某一个固定点(旋转中心),按特定方向(顺时针或逆时针)转动一定角度(旋转角度)的几何变换;直观来看,就像钟表针尖绕着表盘中心转动,或者风车叶片随风旋转一样。

几何旋转变换示意图

几何旋转变换,平面直角坐标系内,黑色三角形为原像,以原点作为旋转中心旋转后得到红色三角形像。

关键特征:

  • 图形上任意一点到旋转中心的距离保持不变。
  • 任意一对对应点与旋转中心连线所夹的角度都等于旋转角。
  • 旋转中心是唯一在变换中位置不动的点。

当旋转角度恰好为 180° 时,旋转变换展现出独特的几何对称性,主要衍生出以下两个重要概念:

中心对称是指两个图形之间的一种特殊位置与旋转关系。

如果把一个图形绕着某一点旋转 180°,它能够与另一个图形完全重合,那么就称这两个图形关于该点成中心对称。这个固定点叫做对称中心,对应点连线的中点就是对称中心。

几何中心对称变换示意图

中心对称变换,以坐标原点为对称中心,原三角形绕原点旋转 180°,得到它的中心对称图形,虚线表示对应顶点的映射。

数学性质:若点 AA 和点 A′A' 关于点 OO 成中心对称,则点 OO 为线段 AA′AA' 的中点,且满足 OA=OA′OA = OA',三点 A,O,A′A, O, A' 在同一条直线上。

中心对称图形是指单个图形本身具备的一种几何对称性质。

如果一个平面图形绕着某一点旋转 180° 后,能够与自身完全重合,那么这个图形就叫做中心对称图形,这个固定点就是它的对称中心。

五角星中心对称示意图

五角星的点对称(中心对称),O 是对称中心,虚线表示对称轴,X 和 X¹ 为一组对称点。

常见示例:

  • 线段(对称中心为线段中点)
  • 平行四边形、矩形、菱形、正方形(对称中心为两条对角线的交点)
  • 圆(对称中心为圆心)
  • 正偶边形(如正六边形、正八边形,对称中心为几何中心)

与“中心对称”的区别:

  • 中心对称强调两个图形绕点旋转 180° 后的相互重合关系。
  • 中心对称图形强调单个图形自身绕点旋转 180° 后与自身重合的特征。

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