Что такое движение или перемещение плоскости

Геометрия

А Вы уже инвестируете?
Слышали про акцию в подарок?

Зарегистрируйся по этой ссылке
и получи акцию до 100.000 руб

План урока:

Отображение плоскости на себя

Пусть есть некоторое правило, которое устанавливает для каждой точки плоскости какую-нибудь точку этой же плоскости. Подобное правило именуют отображением плоскости на себя.

Лучше всего пояснить это понятие на конкретных примерах. Так, уже изученная нами ранее осевая симметрия может считаться отображением плоскости на себя. Проведем на плоскости прямую m, которая сыграет роль оси симметрии. Далее отметим несколько произвольно выбранных точек А, В, С, D:

Для каждой из отмеченных точек несложно определить точку, симметричную ей относительно оси симметрии. Чтобы сделать это, надо опустить из точек перпендикуляры АА’, ВВ’, СС’на прямую m, а потом на продолжении этих перпендикуляров отложить отрезки А’A’’, B’B’’, C’C’’ так, чтобы выполнялись равенства:

Тогда точки А и А’’, В и В’’, С и С’’ будут симметричны относительно m. Можно сказать, что точки А, В и С отобразились соответственно в точки А’’, В’’, С’’:

Обратите внимание на точку D, которая непосредственно лежит на m. Для нее не получится выполнить такое же построение, как для А, В и C, однако считается, что она симметрична сама себе. Поэтому можно сказать, что точка D преобразуется в точку D’’, которая совпадает с самой D. То есть точка отобразилась сама на себя.

Таким образом, любую точку можно отобразить симметрично относительно произвольной прямой m, и такое отображение как раз является примером отображения плоскости на себя.

В качестве ещё одного примера можно привести центральную симметрию. Отметим на плоскости произвольную точку О, которая будет центром симметрии, а также некоторые точки А, В, С. Отобразим их симметрично относительно О. Для этого надо просто построить прямые АО, ВО и СО, а потом от О отложить на этих прямых отрезки А’О, В’O, C’O:

Можно сказать, что А, В и С отобразились в точки А’, В’ и C’. Если бы мы захотели отобразить с помощью центральной симметрии саму точку О, то она отобразилась бы сама в себя. Таким образом, центральная симметрия также представляет собой отображение плоскости на себя, так как с помощью описанного алгоритма можно найти отображение любой точки на плоскости.

Важно понимать, что бывают отображения плоскости, которые вовсе не являются симметриями. Например, снова возьмем точку О ещё три точки А, В, С. Снова построим прямые АО, ВО и СО, но теперь уже от самих точек А, В и С отложим отрезки, равные АО, ВО и СО, и обозначим их как АА’, ВВ’ и CС’:

В результате наших действий мы снова каждой точке А, В, С поставили в соответствие точку А’, В’, С’. То есть имеет место отображение плоскости. Такое преобразование называется гомотетией (точнее говоря, это частный случай гомотетии), и оно симметрией не является.

Все три описанных примера отображений плоскости на себя объединяет то, что они содержат описание правила (алгоритма), по которому произвольной точке А может быть поставлена в соответствие какая-то произвольная точка А’. При этом точку А’ называют отображением, или образом точки А. В свою очередь А можно назвать прообразом точки А’. Ещё раз отметим, что допускается ситуация, когда точки А и А’ совпадают. Попробуйте сами придумать ещё несколько алгоритмов, которые представляют собой отображения плоскости.

Понятие движения в геометрии

Среди всех отображений плоскости в особую группу объединяют те преобразования, при которых не изменяется расстояние между отображаемыми точками. Эти отображения именуются движениями. Также используются термины перемещение и изометрия.

Центральная и осевая симметрия– это как раз примеры движений. Докажем это для осевой симметрии. Рассмотрим две точки А и В, расположенные так, как это показано на рисунке, а также ось симметрии m. Отобразим А и В относительно mпо правилам осевой симметрии:

Здесь Н и К – это точки прямой m, на которые упали перпендикуляры, опущенные из А и В. Проведем отрезки НВ и НВ’. Теперь исследуем ∆KBH и ∆KB’H. Они оба являются прямоугольными, у них один катет общий (HK), а вторые катеты равны по свойству осевой симметрии. Из этого вытекает равенство ∆KBH и ∆KB’H, а это значит, что

Далее рассмотрим ∆АВН и ∆А’B’H. Только что мы выяснили, что у них есть одинаковые углы ∠BHA и ∠B’HA’. Прилегающие к ним стороны также одинаковы:

Надо отметить, что приведенное доказательство не является полным, так как рассматривает один случай расположения точек А и В. Возможны ещё как минимум 6 случаев расположения А и В:

В рамках полного доказательства следовало бы полностью рассмотреть каждый из этих случаев и для каждого из них доказать равенство

но мы не будем тратить на это время, можете попробовать самостоятельно сделать это.

Далее проанализируем центральную симметрию, она также представляет собой движения. Отобразим точки А и В в образы А’и В’ относительного произвольного центра симметрии О:

Сравним ∆АОВ и А’OB’. У них одинаковы∠АОВ и ∠А’ОВ’, так как они – вертикальные. По свойству центральной симметрии можно записать, что

Надо понимать, что не всякое отображение плоскости представляет собой движение. Например, рассмотренная нами гомотетия изменяет расстояния между точками, а потому она не относится к движениям.

Свойства движения

При движении, как и при любом отображении, можно отображать не только отдельные точки, но и их множества, то есть геометрические фигуры. Сформулируем важную теорему:

Действительно, пусть есть отрезок MN, все точки которого мы отобразили с помощью движения. Произвольную точку отрезка MN обозначим как Р. После отображения мы получим точки M’, N’ и Р’. Соединим М’ и N’ и получим отрезок M’N’.Докажем, что Р’ принадлежать отрезку M’N’.

Р лежит на NP, поэтому справедливо равенство:

Заметим, что это равенство как раз может выполняться только в случае, если Р’ принадлежит M’N’. Действительно, если Р’ не лежит на M’N’, то существует ∆M’N’P’, для которого, в силу неравенства треугольника, можно записать

Итак, мы показали, что всякая точка Р исходного отрезка MN обязательно будет отображаться на отрезок M’N’. Однако этого мало. Вдруг на M’N’ есть такая точка Р’, что ее прообраз не лежит на исходном отрезке MN?Для того, чтобы опровергнуть такую возможность, надо рассуждать в «обратную сторону». Для Р’, лежащей на M’N’, выполняется равенство

Такое равенство означает, что Р лежит на MN. В итоге мы смогли показать, что отрезок MN отображается именно в отрезок M’N’.

Доказанное нами свойство позволяет доказать следующий факт:

В результате отрезки АВ, АС, и ВС отобразятся в равные им отрезки А’B’, А’С’ и B’C’. Но тогда ∆АВС и ∆А’В’С’ будут равны, ведь у них одинаковы все 3 стороны, ч. т. д.

Из этого факта легко показать, что при движении остаются неизменными не только расстояния, но и углы. Пусть есть некоторый ∠А. Отметим на его сторонах точки В и C, в результате получим ∆АВС (если только ∠А не является развернутым). При движении ∆АВС отобразится в равный ему ∆А’В’С’. Из равенства треугольников вытекает и равенство углов:

Аналогичными рассуждениями можно продемонстрировать, что вообще любая фигура, изученная нами в курсе геометрии (прямая, луч, многоугольник, окружность) будет отображаться в равную ей фигуру.

Более того, если между двумя фигурами есть некоторая взаимосвязь, то она сохраняется после движения. Например, при движении две параллельные прямые отображаются в две другие параллельные прямые, и расстояние между ними не меняется. Если движению подвергают окружность и прямую, являющуюся касательной к ней, то в результате получают новую окружность и прямую, причем прямая останется касательной к окружности.

Параллельный перенос

Мы уже изучили два вида движения – осевую и центральную симметрию. Однако есть ещё несколько видов движений. Один из них именуется параллельным переносом. Для выполнения параллельного переноса необходимо предварительно задать некоторый вектор а. При параллельном переносе точки М она отображается в точку M’ так, что вектор MM’ оказывается равным а. Переносить можно сразу множество точек.

Докажем, что параллельный перенос действительно представляет собой движение. Для этого надо всего лишь продемонстрировать, что при нем расстояние между двумя произвольными точками не меняется. Пусть в результате параллельного переноса на вектор а некоторые точки M и N отобразились в M’ и N’ соответственно:

Рассмотрим получившийся четырехугольник NMM’N’. Две его стороны, MM’ и NN’, параллельны и имеют одинаковую длину, так являются равными векторами. Это значит, что NMM’N’ – это параллелограмм (согласно одному из признаков параллелограмма). Но тогда и две другие стороны NMM’N’, то есть MN и M’N’, также одинаковы, ч. т. д.

Примечание. Возможен частный случай, когда отрезок MN параллелен вектору а. В этом частном случае построить параллелограмм не удастся, но вы можете убедиться самостоятельно, что и в этом случае расстояние между M и N не изменяется.

Параллельный перенос может быть использован при решении ряда задач, в том числе и связанных с построением.

Задание. Даны две непересекающиеся окружности с различными радиусами. Постройте общие внешние касательные к этим окружностям.

Решение. Предположим, что нам удалось построить обе внешние касательные. Обозначим точки касания как К, Р, M и N:

Теперь осуществим параллельный перенос касательных. Касательную КР перенесем на вектор КО₁, а MN – на вектор MО₁. В результате точки K и M отобразятся в О₁, а точки Р и N – в точки Р’ и N’:

Так как при движении углы сохраняются, то прямые О₁Р’ и О₂N’ останутся перпендикулярными радиусам О₂Р и О₂N. Значит, если построить окружность с радиусом О₂Р’ (а его величина равна R – r), то для нее эти прямые останутся касательными. Отсюда легко понять алгоритм построения внешних касательных. Сначала надо построить отрезок длиной R– r (на рисунке показан зеленым цветом):

Далее из О₂ проводим окружность с радиусом R– r:

Теперь из точки О₁ проводим касательные к новой окружности. Построение таких касательных – отдельная геометрическая задача, изучаемая ещё в 8 классе. В результате мы сможем найти точки касания Р’ и N’:

Далее надо найти осуществить параллельный перенос касательных. Для этого продолжаем радиусы О₂Р’ и О₂N’, пока они не пересекутся с большей окружностью в точках Р и N соответственно. Чтобы найти точки касания меньшей окружности, надо просто провести перпендикуляры к касательным:

Поворот

Ещё одно движение, используемое в планиметрии – это поворот. Для того, чтобы его совершить, необходимо указать центр поворота и выбрать угол поворота, а также задать направление вращение. На следующем рисунке показан поворот точки М относительно О на угол 45° по часовой стрелке:

В общем случае поворот относительно точки О на некоторый угол α– это такое отображение, при котором произвольная точка М преобразуется в М’, и при этом выполняется два равенства:

Поворачивать можно не только точки, но и целые фигуры. Например, ниже продемонстрирован поворот треугольника:

Докажем, что поворот действительно является движением, то есть при его применении расстояния не искажаются. Пусть точки M и N поворачиваются на угол α относительно точки О:

Тогда по определению поворота можно записать:

Использование движения в задачах

Мы уже рассмотрели одну задачу на построение, в которой применялся параллельный перенос прямой. Однако чаще в задачах используется поворот, а также различные виды симметрии.

Задание. Точки А и В лежат по одну сторону от прямой m. Как, используя только циркуль и линейку, отметить на m такую точку C, что сумма длин отрезков АС и ВС будет минимально возможной?

Решение. Отобразим А симметрично относительно прямой m и получим точку А’. После этого соединим А’ с В. Отрезок пересечет m в точке, которая как раз и будет искомой точкой С:

Действительно, по свойству движения отрезки АС и А’С одинаковы, поэтому сумма длин АС и ВС будет совпадать с суммой А’С и ВС, то есть будет равна длине А’В. Если бы выбрали вместо С какую-нибудь другую точку К, не лежащую на А’В, то сумма длин А’K и ВК оказалась бы больше, чем длина А’В вследствие неравенства треугольника, записанного для ∆А’KB.

Задание. Петя и Ваня играют в игру. Они по очереди кладут одинаковые круглые фишки на прямоугольный стол. До тех пор, пока это возможно сделать. Если игрок не может сделать ход, то он проигрывает. Какова оптимальная стратегия в этой игре и кто, используя ее, выиграет игру?

Решение. Заметим, что прямоугольный стол обладает центральной симметрией относительно своего центра (центр прямоугольника можно определить как точку, в которой пересекаются его диагонали). Пусть первый игрок положит первую фишку ровно в центр стола:

Далее на любой второго игрока первый игрок может положить свою фишку симметрично относительно центра стола (число в центре круга – номер хода):

Получается, что на ход второго игрока первый всегда сможет ответить. То есть первый игрок никак не может проиграть, используя эту тактику. Так как игра когда-нибудь окончится (ведь свободная площадь на столе рано или поздно закончится), и она не может завершиться вничью, то именно первый игрок и выиграет.

Задание. Для произвольного ∆АВС отмечены точки А₁, В₁ и С₁ так, что ∆А₁ВС, ∆АВ₁С и ∆АВС₁ являются равносторонними, причем никакие из этих четырех треугольников не имеют общей площади (в таких случаях говорят, что треугольники построены внешним образом). Докажите, что отрезки АА₁, ВВ₁ и СС₁ имеют одинаковую длину.

Решение. Напомним, что в равносторонних треугольниках все углы составляют по 60°. Выберем любую из вершин ∆АВС (например, С) и повернем отрезок АА₁ на 60° против часовой стрелки. Тогда точка А₁ отобразится в В, а точка А – в точку В₁.

В итоге отрезок АА₁ отобразился в отрезок ВВ₁. Это значит, что они одинаковы. Аналогичным образом, осуществляя поворот вокруг вершины А, можно показать, что отрезок ВВ₁ переходит в отрезок СС₁, и потому они также одинаковы. Таким образом, все три отрезка имеют одну и ту же длину.

Задание. В ∆АВС проведена медиана СМ. На стороне АС внешним образом построен квадрат АСDE, а на стороне ВС – квадрат ВСKF (также внешним образом). Докажите, что СМ вдвое короче KD, и СМ перпендикулярен KD.

Решение. Повернем ∆АВС на 90° против часовой стрелки вокруг точки С вместе с медианой СМ. Тогда точка А перейдет в точку D, а М и B отобразятся в некоторые точки M’ и B’ соответственно:

Заметим, что ∠ВСК – прямой, так как это угол квадрата. ∠ВСВ’ также прямой, ведь поворот мы осуществили как раз на 90°. Тогда ∠В’СКокажется развернутым:

Это значит, что точки В’, С и К лежат на одной прямой. Отрезки ВС и СК одинаковы как стороны квадрата, а отрезок В’С имеет ту же длину, что и ВС (так как он получен поворотом ВС, а при повороте расстояния не искажаются). Тогда можно записать, что

то есть отрезки СК и В’C также одинаковы. Это означает, что С – середина В’К.

М – это середина АВ (по определению медианы), поэтому и при повороте М’ останется серединой В’D. Получается, что отрезок СМ’ соединяет середины сторон В’К и В’D в ∆В’KD, то есть отрезок СМ’ является средней линией. Отсюда сразу вытекает два факта:

1) М’C вдвое короче КD;

2) М’C параллелен KD.

Ясно, что отрезки МС и М’C одинаковы по определению движения, поэтому МС также будет в 2 раза короче KD:

Отрезки МС и М’C перпендикулярны, ведь поворот мы выполнили на 90°. Но тогда МС также будет перпендикулярен и КD, ведь KD и М’C параллельны, ч. т. д.

Сегодня мы познакомились с понятием отображения плоскости на себя и его частным случаем – движением. При движении сохраняются все расстояния между точками, все углы, формы фигур и все соотношения между геометрическими объектами. Это свойство движения позволяет находить краткие решения весьма сложных геометрических задач.

Источник

Движение в геометрии

Что такое движение в геометрии

Движение — это отображение плоскости на себя, при котором сохраняются расстояния между точками.

Если две фигуры совместить (наложить) друг с другом посредством движения, то эти фигуры одинаковы, равны.

Одно из таких движений — осевая симметрия. Каждой точке в плоскости по определенному закону ставится в соответствие другая точка той же плоскости.

Таким образом, любая точка M плоскости соединена с одной точкой M1 плоскости.

Осевая симметрия — это частный случай так называемой плоскости самокопирования.

Чтобы отобразить формы симметрично относительно прямой, достаточно отобразить соответствующие вершины.

Другим частным случаем отображения плоскости на себя является центральная симметрия.
Точка плоскости M переходит в точку плоскости M1 по следующему закону:

M1 ставится в соответствие точке M.
Чтобы отобразить фигуры в симметрии относительно точки, достаточно отобразить соответственные вершины.

Оба представленных примера отображений обладают следующими свойствами:

Особенности движения в геометрии

Докажите равенство прямоугольных треугольников MNK и M1N1K1. В этих треугольниках интересующими нас длинами являются гипотенузы, а это означает, что необходимо доказать равенство катетов.

MK = M1K1 в виде двух прямоугольников на параллельных прямых.

Это означает, что треугольники одинаковы в двух катетах, следовательно, их гипотенузы также совпадают, то есть MN = M1N1, что необходимо было доказать.

Докажем теперь, что центральная симметрия также является движением. Дополним точкой N и точкой N1, в которую отобразится первая точка при центральной симметрии (см. рис.).

Для этого построим отрезок ON и его продолжение — отрезок ON1, получим точку N1. При этом ON1 = ON. Необходимо доказать, что MN = M1N1

Основные сведения о движении в геометрии и пример

Рассмотрим какую-нибудь фигуру, например, треугольник и обсудим, что с ним будет происходить при различных отображениях плоскости на себя.

Если это будет произвольное отображение, где точки меняют свое местоположение случайным образом, то наш треугольник просто «разорвет» на бесконечное количество частей и раскидает по разным местам плоскости.

Движением имеет смысл называть такое отображение, когда наш треугольник окажется в другом месте, возможно, изменив свою ориентацию, но останется единым целым — тем же самым треугольником, что и раньше.

Наверное, так и можно было бы определить движение: отображение плоскости на себя, при которой любая фигура переходит в ей равную.

Если мы представим самолет как бесконечный лист бумаги, то наше требование движения (оставить любую часть листа нетронутой) приводит к тому, что движение в целом должно сохранять целостность всего листа. На самом деле, вы мало что можете сделать с листом, чтобы выполнить условие: сдвинуть его вдоль плоскости в любом направлении;

Источник

Движения плоскости, их свойства

Преобразование плоскости, сохраняющее расстояния, называется движением (перемещением) плоскости.

1. Тождественное преобразование.

2. Параллельный перенос.

Параллельным переносом на вектор называется отображение плоскости в себя, при котором каждой точке плоскости ставится в соответствие точка такая, что .

a) Отметим, что параллельный перенос определяется как отображение и, следовательно нужно доказать, что он является преобразованием плоскости, то есть проверить биективность отображения. Сделайте это самостоятельно.

b) Имеем . Тогда и , то есть параллельный перенос сохраняет расстояния, а значит, является движением плоскости.

3. Центральная симметрия.

Центральной симметрией относительно точки называется отображение плоскости в себя, при котором каждой точке плоскости ставится в соответствие точка такая, что .

a) Аналогично нужно показать, что центральная симметрия является преобразованием плоскости.

b) Из условий и получаем, что . Тогда , то есть центральная симметрия сохраняет расстояния, а значит, является движением плоскости.

Самостоятельно следует рассмотреть доказательство следующих важных теорем

Т е о р е м а 1. При движении образом репера является репер. Образом оротнормированного репера является ортонормированный репер.

Т е о р е м а 2. (о задании движения парой соответствующих ортонормированных реперов) Пусть и два ортонормированных репера. Существует единственное движение плоскости, которое репер переводит в репер . При этом движении каждая точка с координатами в репере переходит в точку с теми же координатами в репере .

Теоремы 1-2 позволяют доказать следующие свойства движений:

1. Движение переводит прямую в прямую, праллельные прямые в параллельные прямые.

2. Движение переводит полуплоскость в полуплоскость.

3. Движение сохраняет простое отношение трех точек прямой, а значит, сохраняет отношение «лежать между», поэтому переводит отрезок в отрезок, луч в луч, угол в угол.

4. Движение переводит угол в равный угол, перпендикулярные прямые в перпендикулярные прямые.

5. Любое движение либо сохраняет ориентацию плоскости (любой репер переводит в одинаково ориентированный с ним репер), либо меняет ориентацию плоскости (любой репер переводит в противоположно ориентированный с ним репер).
Отсюда имеем два вида движений: движения I рода (сохраняющие ориентацию плоскости) и движения II рода (меняющие ориентацию плоскости).

Формулы движений

Пусть – движение плоскости. Задав на плоскости прямоугольную систему координат , сможем найти формулы движения – это формулы, выражающие координаты точки через координаты точки – прообраза точки .

Пусть при движении ортонормированный репер переходит в ортонормированный репер . Тогда по теореме 2 о задании движения парой ортонормированных реперов следует, что имеет координаты в репере .

Рассматривая и как старую и новую системы координат, получаем, что точка имеет соответственно старые координаты относительно репера и новые координаты относительно репера . Используя формулы преобразования координат при переходе от одной системы координат к другой, получим

(*),

где , если и одинаково ориентированы, то есть – движение первого рода, и , если и противоположно ориентированы, то есть – движение второго рода.

Имеет место следующая теорема

Т е о р е м а 3. (об аналитическом задании движения) Пусть – ортонормированный репер. Формулы

(**),

При доказательстве этой теоремы следует обосновать три момента:

1. Формулы действительно задают преобразование плоскости (проверить биективность).

2. Преобразование сохраняет расстояния (вычисляя расстояние между точками и , использовать формулы (**) и условие ортогональности матрицы, составленной из коэффициентов, показать, что ).

3. Показать, что реперы и одинаково ориентированы, то есть является движением первого рода, если и противоположно ориентированы, то есть – движение второго рода, если . Для этого, используя формулы (**) нужно найти координаты точек образов точек , определяющих репер . Далее найти координаты векторов и и убедиться, что матрица перехода от базиса к базису имеет вид . Знак определителя этой матрицы характеризует одинаковость ориентации этих базисов, а значит и реперов и .

Примеры движений

У п р а ж н е н и е 1. Найти формулы параллельного переноса. Доказать, что праллельный перенос является движением первого рода. Определить неподвижные точки и неподвижные прямые при параллельном переносе. Доказать, что множество всех праллельных перносов является группой.

У п р а ж н е н и е 2. Поворотом плоскости вокруг точки на угол называется отображение плоскости в себя, при котором точка переходит сама в себя, любая другая точка плоскости переходит в точку такую, что расстояния и равны и угол равен .

Задав на плоскости прямоугольную систему координат , выразите косинус и синус угла через косинусы и синусы углов и , образованных векторами и с вектором . Далее выразите косинусы и синусы углов и через координаты точек и . Убедитесь, что

, , где .

Решая систему относительно и , получим формулы поворота вокруг начала координат: .

Убедитесь, что поворот вокруг точки является движением первого рода. Определите неподвижные точки при повороте. Выясните, что представляет собой поворот на угол . Докажите, что множество всех поворотов с общим центром является группой. Найдите формулы поворота вокруг точки .

У п р а ж н е н и е 3. Осевой симметрией с осью называется отображение плоскости в себя, при котором каждой точке плоскости ставится в соответствие точка, симметричная ей относительно прямой .

Напомним, что каждая точка прямой симметрична сама себе. Точка, не лежащая на прямой , и симметричная ей точка определяют отрезок, перпендикулярный прмой , середина которого лежит на прямой .

Найдите формулы симметрии относительно оси , убедитесь, что осевая симметрия является примером движения второго рода. Найдите неподвижные точки, неподвижные прямые при осевой симметрии. Выясните, что представляет собой композиция двух осевых симметрий с параллельными осями, с пересекающимися осями.

У п р а ж н е н и е 4. Скользящей симметрией называется композиция осевой симметрии и параллельного переноса на вектор, параллельный оси симметрии: .

Покажите, что скользящая симметрия является движением второго рода, отличным от осевой симметрии.

Определите неподвижные точки и неподвижные прямые при скользящей симметрии.

Источник