强基初中数学&学Python——第155课 旋转对称

  请看下面的图形:

 

 

 

  这三个图形看起来很对称,但它们既不是轴对称也不是中心对称。如果旋转不小于2的偶数次一周形成的图形,是中心对称图形,但它们都是旋转不小于3奇数次一周,所以我们需要扩充中心对称图形旋转对称图形,以适配所有旋转特性的对称图形。

  一般地,如果一个图形绕着某点O旋转角α后所得到的图形与原图形重合,则称此图形关于点O有角α的旋转对称。

  如下图,如果把旋转对称图形分为360/α份后,相邻的两份中,每对对称点与旋转中心的连线相等,它们的夹角都相等,并等于α

 

  下图是具有旋转对称性质的一些图形。

 

 

 

  如下图,如果一个图形是中心对称图形,则把它绕对称中心旋转180°后所得图形与原来图形重合,所以,中心对称图形关于其对称中心有180°的旋转对称。因此中心对称图形一定是旋转对称图形。

 

  如下图,把正n边形绕着它的中心旋转360°/n的整数倍后所得的正n边形与原正n边形重合,正n边形关于其中心有360°/n的旋转对称。当n是偶数是,该正n边形是中心对称图形,否则不是。

 

  圆关于圆心有任意角的旋转对称,许多物体呈圆形就是应用了圆的这种性质。当我们用一个扳手扳转一个正六边形螺母时,要应用正六边形关于其中心有60°的整数倍的旋转对称,也要应用圆关于圆心有任意角的旋转对称。

 

  旋转中的坐标

  如下图,旋转对称的对称点在直角坐标系中的坐标关系,旋转角α>0逆时针,α<0表示顺时针,P(x,y)旋转α后变为P'(x',y')P'(x',y')P(x,y)到原点的距离相等,OP'的倾角比OPα

 

 

  设OP长度为r,倾角是β,那么P'的坐标(x',y')符合下面的关系:

r²=x²+y²,①

x'=rcos(α+β),②

y'=rsin(α+β),③

x=rcos(β),④

y=rsin(β)。⑤

由和角公式:

cos(α+β)=cos(α)*cos(β)-sin(α)*sin(β),⑥

sin(α+β)=sin(α)*cos(β)+cos(α)*sin(β)。⑦

④⑤代入⑥⑦,得

cos(α+β)=(x/r)cos(α)-(y/r)sin(α),⑧

sin(α+β)=(x/r)sin(α)+(y/r)cos(α)。⑨

⑧⑨代入②③,得旋转坐标关系公式:

x'=xcos(α)-ysin(α),

y'=xsin(α)+ycos(α)。

  下面验证(初中需要掌握的三个坐标公式)。(1)如果α=180°,sin(α)=0,cos(α)=-1,即中心对称

x'=-x,

y'=-y。

2)如果α=90°,sin(α)=1,cos(α)=0,即逆时针转90°

x'=-y,

y'=x。

3)如果α=-90°,sin(α)=-1,cos(α)=0,即顺时针转90°

x'=y,

y'=-x。

  不失一般性,限定x>0和y>0,如下图可以看到它们坐标的关系(记住这幅图片)。

 

 

  练习题1:

1. 在平面直角坐标系中,点A的坐标是(-3,2),作点A关于x轴的对称点,得到点B,再作点B关于y轴的对称点,得到点C。点A与点C有什么关系?如果点A是平面内任一点,即坐标是(x,y),点A与点C也有同样关系吗?

2. 把点P(x,y)绕原点分别顺、逆时针旋转90°,180°,270°,360°,点P的对应点的坐标分别是什么?将结果填入下表。

旋转的角度

90°

180°

270°

360°

对应点的坐标(顺)

 

 

 

 

对应点的坐标(逆)