图形的旋转

官方数学老师·17 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·2 天前
几何变换坐标变换旋转矩阵对称性

图形的旋转

从直觉到坐标变换,搞懂旋转的数学本质与几何含义

按 空格/→ 演示下一步

1 / 17 页

全部页面点击任意一页,跳回舞台从这页播放

几何变换坐标变换旋转矩阵对称性

图形的旋转

从直觉到坐标变换,搞懂旋转的数学本质与几何含义

1第 1 页 · 图形的旋转

生活中的旋转

钟表指针、风扇叶片等实例引入

生活中的旋转
钟表指针、风扇叶片等实例引入
2第 2 页 · 生活中的旋转

什么是旋转

从生活到画面,你已经见过旋转了。现在要给数学上的旋转下一个精确定义——只靠「看起来转了」可不够,得说清楚「绕谁转、转多少、朝哪转」。

旋转中心
唯一一个不动的点,其余所有点都绕着它运动
旋转角
图形转过的角度大小,单位通常是度
旋转方向
顺时针或逆时针,决定旋转的「正负」
等距变换
旋转不改变任意两点间的距离,是刚体运动
旋转木马对应 →数学中的旋转

中心轴=旋转中心;转动角度=旋转角;顺/逆转=旋转方向;孩子离轴距离不变=等距变换

3第 3 页 · 什么是旋转

旋转中心

钟表三根指针转得飞快,但表盘中央那颗小钉子纹丝不动——它就是旋转中心。

固定不动的点
旋转过程中唯一不改变位置的那一点
所有点的旋转枢纽
图形上其他点都围绕它画出弧线轨迹
位置可在形内或形外
不一定是图形的几何中心,可以是任意一点
决定旋转的视觉效果
中心位置不同,同一图形旋转后落点完全不同
落地风扇的轴心对应 →旋转中心

叶片绕轴心旋转,轴心钉死不动——图形上的点也是绕中心转,中心本身不挪窝

4第 4 页 · 旋转中心

旋转角

上一节我们找到了'绕谁转'——旋转中心。可光知道绕哪儿还不够:门开一半和全开,转的可不一样。这一节就来看'转了多少'——旋转角。

旋转角
图形绕中心转过的角度,描述'转了多少'
方向
顺时针或逆时针,方向不同结果就不同
正方向约定
数学上规定逆时针为正方向
任意角度
不限于0~360°,转一整圈(360°)图形回到原位
打方向盘对应 →旋转角的大小与方向

方向盘左打30°和右打30°,车头朝向完全不同——大小加方向才完整

θ+360°nθ (nZ)\theta + 360°\cdot n \equiv \theta \ (n \in \mathbb{Z})
5第 5 页 · 旋转角

旋转的完整描述

一次完整的旋转由三个要素共同决定,缺任何一个都不行。

1
锁定中心
先确定绕哪个点旋转,这个点在旋转中保持不动
2
确定方向
顺时针还是逆时针,方向不同轨迹相反
3
给定角度
转多少度,角度决定图形最终位置
6第 6 页 · 旋转的完整描述

什么是对应点

前面讲了旋转三要素。现在想象三角形绕点O旋转——原来在A位置的点会跑到哪里?跑到的那个新位置,就叫A的'对应点'。

对应点的定义
旋转前后,图形上同一个点的新旧两个位置,组成一对对应点
等距性
对应点到旋转中心的距离始终相等,半径不变
等角性
对应点与旋转中心连线的夹角,等于旋转角
同方向
对应点对绕中心的旋转方向与原图形保持一致
旋转木马上的座位对应 →对应点

每张座位到中心柱子距离固定,旋转后到达新位置,原位和新位是一对对应点

OA=OA,AOA=αOA = OA', \quad \angle AOA' = \alpha
7第 7 页 · 什么是对应点

对应点的图解

左侧三节点是原图上的点,右侧三节点是旋转后的像。实线箭头表示逐点对应,虚线把全部对应都系到同一个旋转 R 上。

图解渲染中…
A1原图上的点,旋转前A2A 的像点,记作 A',旋转后R引发这次旋转的同一个变换B2B 的像点,记作 B'
8第 8 页 · 对应点的图解

旋转的性质(上)

旋转有一个核心性质:对应点到旋转中心的距离相等。怎么看出这一点?分五步走。

1
确定旋转中心
在图中明确标出旋转中心点O的位置,这是分析的起点
2
连对应点与中心
分别连接O与原像A和像A',距离才变成可观测的线段
3
观察两段距离
旋转中每个点绕O走圆弧轨迹,半径保持不变
4
发现距离相等
OA与OA'都是同一圆弧的半径,因此长度相等
5
得出性质结论
对应点到旋转中心的距离相等——旋转的首条基本性质
9第 9 页 · 旋转的性质(上)

旋转的性质(下)

从一组对应点出发,看旋转角藏在哪两条线的夹角里。

1
定中心
先标出旋转中心O,所有关系都以它为锚点
2
取对应点
任意挑一对对应点A和A',规律对所有点都成立
3
连两线
从O出发连到A和A',把对应关系画成可测的线段
4
量夹角
∠AOA'精确等于旋转角,这就是性质的核心
5
换组验证
任取另一组对应点再量,夹角依然等于旋转角
10第 10 页 · 旋转的性质(下)

旋转性质总结图

从中心、角度、图形三个维度,把旋转的核心性质串成一张图。

图解渲染中…
p2对应点连线被旋转中心平分p4所有点绕中心同向旋转p7旋转前后两图形全等
11第 11 页 · 旋转性质总结图

找对应点的方法

上一页我们说对应点有三个特征。但考试不会直接告诉你「这是对应点」,而是给中心、给一个点,让你找另一个——怎么把性质反过来用?

画等距圆
以旋转中心 O 为圆心,经过已知点的距离为半径画圆,对应点必在此圆上
量旋转角
以已知点和 O 的连线为始边,沿旋转方向量出旋转角,画出射线
取交点
射线与圆的交点就是对应点;有两个交点时靠方向(顺/逆时针)取舍
用性质回验
找完后回头验:距离是否相等、夹角是否等于旋转角
GPS 定位对应 →距离 + 方向定对应点

知道「离参考点多远」画一圈,知道「朝哪走」画一条射线,两线交叉即定位

12第 12 页 · 找对应点的方法

作旋转后的图形

作旋转变换的标准流程分三步走——定点、对应、连线。

1
找关键点
在原图形上标出各顶点,旋转只需处理这些点
2
找对应点
用量角器和圆规,把每个顶点绕中心转过旋转角
3
连线成图
按原图形顺序连接对应点,旋转图形完成
13第 13 页 · 作旋转后的图形

旋转 vs 平移

旋转和平移都让图形「动」,但运动方式完全不同——看图形上的点怎么变就明白了。

旋转
  • 绕一个固定点转动
  • 有且仅有一个不动点(旋转中心)
  • 图形上点的方向会改变
  • 由中心、角度、方向三要素决定
平移
  • 沿一个方向滑动
  • 没有不动点
  • 图形上点的方向不变
  • 由方向和距离两要素决定
图形动后若仍有一点留在原位,就是旋转;所有点都「搬家」了,就是平移。
14第 14 页 · 旋转 vs 平移

旋转中心的位置

旋转中心在图形内还是外,关系到作图思路和像的位置。别再一刀切地用同一套方法。

中心在图形内
  • 旋转中心位于图形内部某点
  • 像与原图可能部分重叠或重合
  • 可优先利用顶点、对称点作图
  • 典型如正多边形绕中心旋转
中心在图形外
  • 旋转中心位于图形外部某点
  • 像与原图彼此分离、无重叠
  • 所有关键点都需逐一对齐
  • 典型如一般图形的旋转
中心在图内时优先利用对称点;中心在图外则必须逐点对应,别想走捷径。
15第 15 页 · 旋转中心的位置

自测检验

点击作答

把一个图形绕点O旋转某个角度后,关于得到的新图形,下列说法一定正确的是?

16第 16 页 · 自测检验

课后思考

先自己想,再对照参考答案——思考的过程比答案本身更重要。

1旋转由'图形、旋转中心、旋转角'三要素确定——如果只告诉你其中两个,结果会怎样?请逐个讨论。

参考答案缺一不可。缺图形没有对象;缺旋转中心,同一图形会绕不同点转;缺旋转角,转多大不清楚。三要素一起才能唯一确定旋转的结果。

2汽车方向盘从正前方转到正后方,转了多少度?方向盘外缘上的每一点走过的轨迹是什么形状?

参考答案180°。方向盘外缘每一点(中心除外)都走过一段圆弧;所有弧的圆心都在转轴上,半径等于该点到转轴的距离。

3旋转 360° 等于'没转'——'转两圈'和'转一圈'效果一样吗?这种'回到原位'的性质是旋转独有的吗?

参考答案效果一样。'回到起点'是任何具有周期性的变换的共性。但旋转的特殊之处在于:只要转够 360° 就一定回到原位,与图形本身无关——这是角度的固有性质。

17第 17 页 · 课后思考
图形的旋转 · 知识图解