课题学习 图案设计

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旋转图案设计动手实践轴对称

课题学习 图案设计

掌握旋转三要素,自己设计出连续、对称、循环三类经典图案

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旋转图案设计动手实践轴对称

课题学习 图案设计

掌握旋转三要素,自己设计出连续、对称、循环三类经典图案

1第 1 页 · 课题学习 图案设计

利用几何变换进行图案设计

上节课我们认识了图案设计的整体思路——从生活、自然、数学中汲取灵感。但一个核心问题还没解决:手里只有一个基本图形,怎么'变出'一整幅复杂图案?答案藏在几何变换里。

平移变换
图形沿某方向整体移动一段距离,方向与形状不变
旋转变换
图形绕某一定点转动一定角度,形状大小不变
轴对称变换
图形沿某直线翻折,得到它的镜像图形
位似变换
图形以某点为中心按比例放大或缩小
组合变换
两种或多种变换按顺序叠加,得到更复杂图案
万花筒对应 →几何变换生成图案

筒里几个彩色碎片,经反射、旋转就变成对称又繁复的花样

2第 2 页 · 利用几何变换进行图案设计

平移

前页我们用几何变换设计图案,三种基本变换里,平移最直观——想象一队士兵保持队形齐步向前:每个人方向一致、步幅相同,队形却不散。

定义
图形上每一点都沿同一方向移动相同距离
两要素
方向与距离缺一不可,共同决定平移效果
不变性质
平移前后图形全等,对应点连线平行且相等
图案应用
同一基本图形沿一个或多个方向重复,构成带状或网状图案
士兵保持队形齐步走对应 →平移变换

每位士兵=图形上的点;方向与步幅=平移的方向与距离;队形不变=图形全等

$(x, y) \to (x+a, \, y+b)$
3第 3 页 · 平移

旋转

平移让图形整体滑动得到重复图案。但有些图案——比如风车、雪花——是绕一个点转出来的。要做这类图案,得用另一种变换:旋转。

旋转的三要素
旋转中心(绕谁转)、旋转方向(顺/逆时针)、旋转角度(转多少度)
与平移的区别
平移沿直线滑,旋转绕中心转,轨迹分别是线段和圆弧
图案设计的应用
将基本图形绕中心旋转若干次,得到风车、放射状、雪花等图案
旋转对称
图形绕中心旋转一定角度后与自身重合,如正六边形旋转60°
钟表指针绕表盘中心对应 →图形绕旋转中心转动

表心=旋转中心;顺/逆时针=方向;指针走过的度数=旋转角

n 重旋转对称的旋转角=360°nn\text{ 重旋转对称的旋转角} = \dfrac{360°}{n}
4第 4 页 · 旋转

中心对称图形

前面学过平移和旋转,都能搬动图形做图案。但如果绕某个点转半圈后,图形居然和自己完全重合——这叫中心对称图形,它正是旋转180°的特殊情形。

定义
绕一个点旋转180°后能与自身完全重合的图形
对称中心
旋转所绕的那个点,整个变换的支点
对称点连线
任意一对对应点的连线都过对称中心且被其平分
与轴对称区别
中心对称绕'点'旋转180°;轴对称沿'线'折叠
风车绕中心轴转半圈对应 →中心对称图形

偶数片的风车转180°后和原来一样——绕中心转半圈仍重合

OP+OP=0\vec{OP}+\vec{OP'}=\vec{0}
5第 5 页 · 中心对称图形

旋转对称

上一页我们学了旋转——把图形绕中心转动一定角度。但有些图形转一圈下来,不管转到哪个角度,都和自己一模一样。这就是旋转对称。

定义
图形绕某点旋转一定角度后能与自身完全重合
旋转中心
图形旋转时所绕的那个固定点
最小旋转角
能让图形与自身重合的最小角度
旋转阶数
一周内与自身重合的次数,等于360°除以最小旋转角
典型应用
风车、雪花、齿轮、瓷砖花纹等图案
三叶风扇对应 →旋转对称图形

三叶风扇每转120°与原位重合,叶片数等于旋转阶数

n=360°θn = \dfrac{360°}{\theta}
6第 6 页 · 旋转对称

点的轴对称坐标变换

前面学过旋转和中心对称,都是点的位置在变。今天看另一类变换——轴对称(翻折)。做图案设计前,先要掌握「一个点翻折后坐标变成什么」,下面四条规则就是工具箱。

关于x轴对称
y坐标取反:(x, y) → (x, -y),像水面当镜子
关于y轴对称
x坐标取反:(x, y) → (-x, y),左右翻转
关于直线 y=x 对称
x与y互换:(x, y) → (y, x),沿对角线翻折
关于直线 y=-x 对称
都取反再互换:(x, y) → (-y, -x),沿反对角线翻折
照镜子对应 →点的轴对称

镜子(对称轴)两侧等距,但左右相反——和点的坐标变换规律完全一致

x轴:(x,y)(x,y);y轴:(x,y)(x,y);y=x ⁣: ⁣(x,y)(y,x);y=x ⁣: ⁣(x,y)(y,x)x\text{轴:}(x,y)\to(x,-y);\quad y\text{轴:}(x,y)\to(-x,y);\quad y=x\!:\!(x,y)\to(y,x);\quad y=-x\!:\!(x,y)\to(-y,-x)
7第 7 页 · 点的轴对称坐标变换

点的旋转坐标变换

上一节我们把点 P(x,y) 沿 y 轴翻折得到 P',坐标符号反转。这次让 P 绕原点转动一个角度,看看坐标如何变化。

旋转角 θ
点绕原点转过的角度,决定坐标变化的幅度
变换公式
原坐标按 cosθ、sinθ 组合得到新坐标
旋转方向
逆时针为正方向,顺时针 θ 取负值
距离守恒
点 (x,y) 到原点的距离旋转前后不变
典型应用
一组点绕原点旋转可生成花朵、风车等图案
钟表指针扫过表盘对应 →点的旋转坐标变换

指针绕圆心转过 θ,尖端坐标按 cosθ、sinθ 规律变化

(x,y)=(xcosθysinθ, xsinθ+ycosθ)(x', y') = (x\cos\theta - y\sin\theta,\ x\sin\theta + y\cos\theta)
8第 8 页 · 点的旋转坐标变换

轴对称

前面我们用平移、旋转设计图案,但有一种变换最朴素——把纸对折,两边严丝合缝。这种'对折能重合'的几何关系,就是轴对称。

轴对称定义
一个图形沿一条直线折叠后,两侧部分能完全重合
对称轴
那条直线;它垂直且平分每对对应点的连线
判定三要素
①沿轴折叠两边重合 ②对应点到轴距离相等 ③对应点连线⊥轴
常见轴对称图形
等腰三角形、长方形、正方形、正多边形、圆
图案设计中的应用
沿对称轴快速生成左右呼应纹样,效率极高
折纸沿折痕对折对应 →轴对称图形

折痕=对称轴;两边图形互为镜像,叠回去严丝合缝

P=(a,b), P=(a,b) (关于x轴对称)P=(a,b),\ P'=(a,-b)\ \text{(关于}x\text{轴对称)}
9第 9 页 · 轴对称

本节要点

  • 图案设计两步走:定母图,选变换方式
  • 坐标变换本质:对每点套同一映射规则
  • 抓住「不动点」快速判断变换类型
  • 易错点:旋转角度的正负号别写反
延伸主题:组合变换:先转再平移会怎样用变换设计镶嵌(密铺)图案对称性的群论初步
10第 10 页 · 本节要点

课后思考

先独立想清楚再看参考答案,让问题在脑子里多转几圈。

1图案设计为什么离不开平移、旋转、轴对称这三种几何变换?如果去掉其中一种,图案设计会失去什么?

参考答案三种变换都能在保持图形形状和大小不变的前提下复制基本图形,这是图案无限延伸、整齐规律的数学保证。任意去掉一种,许多经典图案(如二方连续、四方连续)就无法生成。

2用今天的坐标变换方法,设计一个由三个全等三角形组成的图案,要求既体现轴对称又体现旋转对称。该怎么入手?

参考答案先确定一个三角形作为基本图形;通过轴对称变换得到第二个(关于某条直线对称);再绕公共顶点旋转120°得到第三个。三者中心对称分布,既体现轴对称也体现旋转对称。

3只用一种几何变换(平移、旋转、轴对称任选其一),能生成出人意料的复杂图案吗?如果能,请举一个例子。

参考答案能。例如地砖花纹只用平移就能铺成大面积图案;万花筒只用镜面反射也能生成千变万化的图像。关键在于选对基本图形和变换规则,单一变换也能产生复杂图案。

11第 11 页 · 课后思考