Симметрия относительно точки (центральная симметрия).

Пусть О - фиксированная точка и А - произвольная точка плоскости. Точка А' называется симметричной точке А относительно точки О, если точки А, О, А' лежат на одной прямой и ОА = ОА' (рис. 18). Точка, симметричная точке О, есть сама эта точка.

Пусть Р - данная фигура и О - фиксированная точка плоскости. Преобразование фигуры Р в фигуру Р', при котором каждая точка А фигуры Р переходит в точку А' фигуры Р', симметричную А относительно точки О, называется преобразованием симметрии относительно точки О. На рисунке 19 выполнено преобразование треугольника АВС в симметричный ему относительно точки О треугольник А'В'С'.

Если преобразование симметрии относительно точки О переводит фигуру в себя, то фигура называется центрально симметричной, а точка О - ее центром симметрии.

Например, центрально симметричными являются параллелограмм (центром симметрии в нем является точка пересечения диагоналей), окружность с центром в точке О.

Симметрия относительно прямой (осевая симметрия).

Пусть р - фиксированная прямая. Тогда А' называется симметричной точке А относительно прямой р, если прямая АА' перпендикулярна прямой р и ОА' = ОА, где О - точка пересечения прямых АА' и р (рис. 20).

Если точка А лежит на прямой р, то симметричная ей точка есть сама точка А. Точка, симметричная точке А', есть точка А.

Пусть Р - данная фигура и р - фиксированная прямая. Преобразование фигуры Р в фигуру Р', при котором каждая точка А фигуры Р переходит в точку А' фигуры Р', симметрично относительно прямой р, называется преобразованием симметрии относительно прямой?. При этом фигуры Р и Р' называются симметричными относительно прямой р. На рисунке 20 изображены треугольники АВС и А'В'С', симметричные относительно прямой р.

Если преобразование симметрии относительно прямой р переводит фигуру Р в себя, то фигура называется симметричной относительно прямой р, прямая р называется осью симметрии фигуры. Например, осями симметрии прямоугольника являются прямые, проходящие через точку пересечения его диагоналей параллельно сторонам.

3. Гомотетия.

Пусть F - данная фигура и О - фиксированная точка (рис. 21). Проведем через произвольную точку X фигуры F луч ОХ и отложим на нем отрезок ОХ', равный kОХ, где k - положительное число.

Преобразование фигуры F, при котором каждая ее точка X переходит в такую точку X', что ОХ' = kОХ, называется гомотетией относительно центра О. Число k называется коэффициентом гомотетии. Фигуры F и F' называются гомотетичными.

На рисунке 21 четырехугольник А'В'C'D' гомотетичен четырехугольнику ABCD. Центр гомотетии - точка О, а ее коэффициент равен 2.

 

Движения и равенство фигур

Из различных преобразований фигур самыми важными являются такие, при которых сохраняются все их свойства; расстояние между точками, углы, параллельность отрезков, площади и т.д. Оказывается, что для этого достаточно потребовать только сохранения расстояния между точками данной фигуры. Тогда у фигуры, которая получается при преобразовании, сохраняются и все остальные геометрические свойства, так как они зависят от расстояний.

Определение. Преобразование фигуры F в фигуру F', которое сохраняет расстояние между точками, называется движением фигуры F.

Движение сопоставляет любым точкам А и В фигуры Этакие точки А' и В' фигуры F', что АВ = А'В'. В геометрии доказано, что преобразования симметрии относительно точки и прямой, являются движениями. Кроме того, движениями являются параллельный перенос фигуры, поворот фигуры вокруг точки на данный угол.

Движения фигур обладают рядом свойств, некоторые из которых мы сформулируем, не доказывая.

1. При движении точки, лежащие на прямой, переходят в точки, лежащие на прямой, и сохраняется порядок их взаимного расположения.

2. Отрезок движением переводится в отрезок, луч переходит в луч, прямая - в прямую.

3. Треугольник движением переводится в треугольник.

4. Движение сохраняет величины углов.

5. Преобразование, обратное движению, также является движением. В геометрии движения играют важную роль. Изменяя расположение фигур на плоскости, они не меняют ни их размеры, ни их формы. С точки зрения геометра, фигуры, отличающиеся лишь своим положением на плоскости, совершенно одинаковы, именно поэтому они называются равными (или конгруэнтными). Ни одно свойство геометрической фигуры не отличается от соответствующего свойства равной ей фигуры. Например, равные треугольники имеют не только соответственно равные стороны и углы, но и соответственно равные медианы, высоты, площади и т.д.

Определение. Фигура F равна фигуре F', если фигуру F' можно получить некоторым движением фигуры F.

Используя понятие взаимно однозначного соответствия, это определение можно сформулировать так: фигуры F и F' называются равными, если между их точками существует такое взаимно однозначное соответствие, что отрезки, соединяющие соответственные точки, равны.

Устанавливая равенство отрезков, углов, треугольников и других фигур, нет необходимости преобразовывать одну фигуру в другую. Достаточно сравнить те размеры фигур, которыеих однозначно оп­ределяют. Например, у треугольников сравнить расстояния между вершинами, т.е. длины сторон.

Когда же рассматривают произвольные фигуры, необходимо определение их равенства через движение.

Нетрудно убедиться в том, что равенство фигур рефлексивно, симметрично и транзитивно, т.е. является отношением эквивалентности. Поэтому это отношение порождает на множестве геометрических фигур классы эквивалентности, содержащие равные между собой фи­гуры. С позиций геометрии такие фигуры неразличимы и их можно принять за одну и ту же фигуру. Именно поэтому можно сказать, что задача построения прямоугольника по двум сторонам а и b имеет только одно решение.

Сказанное позволяет уточнить наше понимание предмета геометрии - она изучает свойства фигур, не зависящие от их расположения. Или, другими словами, геометрия изучает те свойства фигур, которые сохраняются при движениях.