平移

官方数学老师·16 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·2 天前
平面几何群论坐标变换不变量

平移——图形变换的优雅之美

看穿平移的代数本质:位移向量、不变量,以及构成平移群的完整逻辑

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平面几何群论坐标变换不变量

平移——图形变换的优雅之美

看穿平移的代数本质:位移向量、不变量,以及构成平移群的完整逻辑

1第 1 页 · 平移——图形变换的优雅之美

什么是平移

电梯把整箱乘客从一楼送到顶楼,窗户沿轨道横向推开——两个动作看着毫不相干,却藏着同一个几何规律。

方向一致
图形上每个点都沿同一方向移动
距离相等
每个点移动的路程完全相同
保形等大
平移前后图形全等,形状与大小都不变
位置迁移
图形从一处整体「搬」到另一处
一队士兵齐步走对应 →平移变换

每个士兵方向、步幅都相同,队形不变,只是整体挪了位置

(x,y)(x+a,y+b),其中 (a,b) 是平移向量(x, y) \to (x + a, y + b),\text{其中 } (a, b) \text{ 是平移向量}
2第 2 页 · 什么是平移

平移的方向与距离

用方向和距离完整描述平移

平移的方向与距离
用方向和距离完整描述平移
3第 3 页 · 平移的方向与距离

对应点的定义

上一页我们学了平移有方向、有距离。想象三角形卡片向右滑了 3 格——每个点都「搬家」到了新位置。原来那个点和新位置上那个点,就是一对对应点。

什么是对应点
原图形与像图形上一一配对的点,每个原点在像中恰有一个对应点
连线平行且等长
任意一对对应点的连线,都平行于平移方向,长度等于平移距离
相对位置不变
在各自图形内部,对应点与其他点的相对位置关系完全相同
队伍合影对应 →对应点

合影时每个人站到新队形,「原来那个位置」和「新位置」就是一对对应点

4第 4 页 · 对应点的定义

对应点的识别

左蓝右橙是原三角形 ABC 与平移后的 A'B'C'。中间三条虚线箭头一一连接对应点。判别铁律:对应点连线平行且等长。

图解渲染中…
a1原三角形顶点(蓝底)a2平移后顶点(橙底)平移对应点连线方向相同、长度相等
5第 5 页 · 对应点的识别

平移的性质总览

前面我们搞清了对应点、方向和距离。把它们串起来看,平移其实在「保证」三件事——这就是平移的核心性质框架。

全等性
平移前后图形形状大小完全相同,能完全重合
等距性
对应点连线的长度都等于这次平移的距离
等向性
对应点连线互相平行,方向都与平移方向一致
全队齐步走对应 →平移变换

每人前进距离相同→等距;前进方向相同→等向;队伍整体形状不变→全等

P(x,y)  P(x+a, y+b)P(x,y)\ \to\ P'(x+a,\ y+b)
6第 6 页 · 平移的性质总览

性质一:对应点连线平行

从平移的定义出发,四步推出"对应点连线必然平行"这个性质。

1
平移向量相等
每个点都沿相同方向移动相同距离。
2
位移是同一向量
AA' 和 BB' 方向相同、长度相等,是同一个向量。
3
同向必平行
方向相同的两条线段必然平行。
4
推广到全部点
图形上每一对对应点都满足这个关系。
7第 7 页 · 性质一:对应点连线平行

性质二:对应线段平行且相等

为什么平移后线段方向不变、长度不变?四步把原理拆给你看。

1
取一线段AB
在原图形上任取两点 A、B,确定一条研究对象线段
2
同向等距平移
A、B 沿同一方向移动相同距离,得到对应点 A'、B'
3
构成平行四边形
AA' ∥ BB' 且 AA' = BB',故 AA'B'B 是平行四边形
4
对边平行且相等
由平行四边形对边性质,得 AB ∥ A'B' 且 AB = A'B'
8第 8 页 · 性质二:对应线段平行且相等

性质三:对应角相等

用前两条性质串成一条推理链,证明对应角在平移中相等。

1
锁定对应顶点
任取一组对应点,如 A 与 A′,为推理选定考察对象
2
构成平行四边形
AA′ 与对应线段 A′B′ 围成的四边形,两组对边互相平行
3
补齐边相等
由性质二,对应线段相等,所以该四边形确为平行四边形
4
推出对角相等
平行四边形对角相等,即 ∠A = ∠A′,证毕
9第 9 页 · 性质三:对应角相等

平移性质的完整总结

从左往右读:起点平移→三条递进性质→核心结论'保形保距'。

图解渲染中…
E三条性质的共同指向:图形经平移后形状与大小都不改变
10第 10 页 · 平移性质的完整总结

平移作图的基本步骤

平移作图分四步走,每步建立在前一步之上,环环相扣画出准确图形。

1
确定方向
对比原图与新图,观察图形沿哪个方向移动并标出箭头
2
确定距离
数格子或测量线段长度,得出平移的单位数
3
找对应点
标出原图上所有关键点,如顶点、端点等
4
平移连线
每个点都按相同方向平移相同距离,再连成同样的图形
11第 11 页 · 平移作图的基本步骤

几何画板中的平移操作

python

同一平移,两条路径:工具一条命令搞定,尺规得循环三遍——代码验证结果完全相同。

代码高亮加载中…

高亮行揭示本质:工具作图(L12)把平移当成「坐标+向量」的一次加法;尺规作图(L20-21)必须循环对每个点重复构造。两条路径数学等价,工具只是封装了尺规的多次重复。

12第 12 页 · 几何画板中的平移操作

已知平移向量作图

已知平移向量作图,本质就是把每个顶点沿箭头方向、等距挪到新位置,再连回图形。

1
选定顶点
标出原图形的各个顶点,平移只改位置、不改形状
2
平移顶点
过每个顶点作线段,方向同向量、长度等于平移距离
3
标记对应点
新线段的端点即原顶点的像,原顶点和像一一对应
4
顺次连接
按原图形顶点顺序,把所有对应点连成新图形
5
核查验证
用"对应点连线平行且相等"检查结果是否正确
13第 13 页 · 已知平移向量作图

平移作图自测

点击作答

将△ABC沿某方向平移得到△A'B'C',关于对应点连线AA'、BB'、CC',下列说法正确的是?

14第 14 页 · 平移作图自测

平移知识结构图

  • 方向+距离=一个平移:两要素缺一不可地确定变换本身
  • 平移保形变位:形状与度量关系整体保留
  • 一对对应点锁定平移:识别要靠'形状同+走向同'
  • 三平行三相等构成平移的判别与验证系统
延伸主题:旋转变换向量语言下的平移表达平移与旋转的复合
15第 15 页 · 平移知识结构图

课后思考

先合上课本独立想,再看参考答案对照思路。

1平移的“对应点连线平行且相等”,反过来成立吗?

参考答案不成立。仅一组对应点连线相等不能推出平移,需所有对应点连线方向相同、长度相等才确定。

2平移一个不规则图形时,图形上的曲线方向会改变吗?

参考答案不会。平移只改变位置,不改变形状与方向。原曲线的切线方向与像上对应曲线一致。

3把一个图形先向右平移再向下平移,等价于一次平移吗?

参考答案等价。平移向量可相加,两次平移合成仍是平移,等于两向量之和。

16第 16 页 · 课后思考