轴对称

官方数学老师·14 页·进阶(有基础,想深入原理)·0 次浏览·2 天前
几何变换对称性折叠不变图形判定

轴对称

看透折叠变换的本质,掌握任意图形对称轴的快速判定

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几何变换对称性折叠不变图形判定

轴对称

看透折叠变换的本质,掌握任意图形对称轴的快速判定

1第 1 页 · 轴对称

什么是轴对称

把一张纸对折,两边严丝合缝地叠在一起——这个动作本身就是轴对称最直观的演示。今天我们就从这个折纸实验出发,把"轴对称"这件事拆开说清楚。

折叠重合
沿一条直线对折后,图形两部分完全重合
对称轴
这条使两边重合的直线就是这个图形的对称轴
对应点
折叠后重合的点叫对应点,到对称轴距离相等
垂直平分线
对称轴是任意一对对应点连线的垂直平分线
照镜子对应 →轴对称

镜面就是对称轴,你和镜中的自己就是一对对应点

2第 2 页 · 什么是轴对称

轴对称图形

上页我们认识了'轴对称'这种关系。那什么样的图形才配得上这个名字?答案藏在'对折'这两个字里——

轴对称图形
沿对称轴对折后两部分能够完全重合的图形
对称轴
折叠所沿的那条直线,一个图形可以有多条
完全重合
形状、大小、位置一一对应,比'相似'严格得多
对折剪纸对应 →轴对称图形

折痕即对称轴,剪开后的两半形状大小一一对应

3第 3 页 · 轴对称图形

对称点

前面认识了轴对称图形——整个图形沿直线对折后两边完全重合。但「完全重合」具体是怎么发生的?本质上是图形上每一点都恰好落到了另一个点的位置上。这页拆开最基本的单元:一对对称点。

对称点的定义
点P与P′关于直线l对称,指P和P′分居l两侧、关于l镜像对应
对称轴 = 垂直平分线
l同时满足:垂直于PP′,并且经过PP′的中点,两条缺一不可
等距性
P和P′到对称轴l的距离相等——垂直平分线自带的性质
照镜子对应 →关于直线对称的两个点

镜子里的你和镜前的你互为对称点,镜面就是对称轴

4第 4 页 · 对称点

对称轴

前面我们把一对对称点连起来,发现线段被某条直线垂直平分——这条直线就是对称轴。它是对称图形里的「主心骨」。

定义
沿这条直线翻折,图形两侧完全重合
不动点的集合
轴上每个点都跟自己重合,是所有自对应点的集合
垂直平分性质
任意一对对称点的连线,对称轴都垂直且平分它
数量可变
图形可以没有、有一条或多条对称轴(圆有无数条)
折纸时的折痕对应 →对称轴

折痕两侧图案互为镜像;折痕本身纹丝不动,正是所有「原地不动」的点

绕 x 轴反射:(x,y)(x,y)\text{绕 }x\text{ 轴反射:}(x,y)\mapsto(x,-y)
5第 5 页 · 对称轴

对称关系结构图

中心向外辐射:先看核心概念轴对称图形,再看对称点与对称轴两要素,最后看二者关系。

图解渲染中…
root本页讨论的核心,轴对称概念的母体关键性质对称点与对称轴的几何约束,判断的关键垂直平分连线对称轴必垂直平分两对称点的连线
6第 6 页 · 对称关系结构图

垂直平分线

上一节我们知道,两个对称点之间藏着一条对称轴。那这条轴到底长什么样、怎么精确定位?答案就是一种特殊的直线——垂直平分线。

垂直平分线
既垂直于线段、又恰好经过线段中点的那条直线
性质定理
线段垂直平分线上的任意一点,到线段两端点的距离相等
判定定理
到线段两端点距离相等的点,必在这条线段的垂直平分线上
与对称的关系
一对对称点的连线,其垂直平分线就是它们的唯一对称轴
拔河绳子正中央的标志线对应 →垂直平分线

标志线穿过中点(平分),垂直压向地面(垂直);线上任何位置到两边队尾的距离都相等

PA=PB (PAB垂直平分线上的任意一点)PA = PB (P 是 AB 垂直平分线上的任意一点)
7第 7 页 · 垂直平分线

垂直平分线的性质

上一页我们画出了垂直平分线,知道它长什么样。这一页换个角度:到底哪些点会落在它上面?

等距点都在线上
到线段两端距离相等的点,必然落在它的垂直平分线上
线上点都等距
反过来,垂直平分线上的任一点,到两端距离也相等
合起来是充要条件
「等距」与「在垂直平分线上」互为因果,可以双向推出
地图上离两城一样远对应 →垂直平分线

两城之间骑车到两座车站用时相同的「中立带」连起来,就是这条线

PA=PB    P 在 AB 的中垂线上PA = PB \iff P \text{ 在 } AB \text{ 的中垂线上}
8第 8 页 · 垂直平分线的性质

性质推导证明

用几何推理严格证明'垂直平分线上的点到两端距离相等',每步逻辑环环相扣。

1
明确已知
线段AB与它的垂直平分线l,M为AB中点,l⊥AB
2
任取一点
在l上取一点P,要证P到A、B距离相等
3
连辅助线
连PM、PA、PB;因P在l上,所以PM⊥AB
4
证全等
△PMA≅△PMB:PM公共、∠PMA=∠PMB=90°、AM=BM,用SAS
5
得结论
由全等对应边相等得PA=PB,性质成立
9第 9 页 · 性质推导证明

尺规作图原理

上页说「垂直平分线上的点到两端距离相等」。这一页反其道而行:靠尺规造出等距的点,再用它把垂直平分线本身画出来。

性质逆用
把箭头反过来:「到线段两端等距的点,必在垂直平分线上」
两弧造等距点
以A、B为圆心、同半径r各画一弧,两交点P、Q均满足PA=PB=QA=QB=r
两点定一线
两点确定一条直线,连接P、Q即为AB的垂直平分线
必须同半径
两弧半径若不同,交点到A、B的距离不等,「等距」前提就不成立
因果倒推对应 →性质的逆向使用

前页是「在中垂线上 ⇒ 等距」,本页用「等距 ⇒ 在中垂线上」——箭头一翻,整个作图思路就有了

PA=PB=QA=QB=r    PQAB 且平分ABPA = PB = QA = QB = r \implies PQ \perp AB \text{ 且平分}AB
10第 10 页 · 尺规作图原理

作线段垂直平分线

只用圆规和直尺,分四步作出线段的垂直平分线。

1
画弧
以线段两端为圆心,大于半长的相同半径分别画弧
2
等距
两段圆弧半径相等,保证任一交点到两端距离相同
3
交点
圆弧在上下方各交于一点,得到两个对称点
4
连线
过两交点作直线,即为线段的垂直平分线
11第 11 页 · 作线段垂直平分线

自测练习

点击作答

把一张纸沿直线l对折后,纸上的点A恰好与点A'重合。下列关于直线l与线段AA'的描述,正确的是:

12第 12 页 · 自测练习

知识要点回顾

  • 轴对称的本质是「折叠重合」,点对点的对应才是核心
  • 垂直平分线上的点到线段两端等距——同时是判定与构造
  • 尺规作图只能画直线与圆,背后真正利用的是「等距」性质
  • 对称是一种几何变换——理解变换,结论会自动浮现
延伸主题:坐标中的对称变换等腰三角形的三线合一角平分线的尺规作图
13第 13 页 · 知识要点回顾

课后思考

先自己想,再看参考答案。三个层次的问题,值得琢磨。

1为什么垂直平分线上的任意一点,到线段两端点的距离一定相等?

参考答案把线段两端的点关于这条线"折叠"重合,折叠保持距离,所以两边距离相等。可用全等三角形证明。

2生活中哪些现象或工具,悄悄用到了"轴对称"的性质?

参考答案比如双通道隧道施工、衣服裁剪、桥梁结构、雷达扫描等,本质是利用对称点等距或图形重合。

3如果把"线段"换成"任意图形",垂直平分线的性质还成立吗?边界在哪?

参考答案性质可推广:图形轴对称时,对应点连线被对称轴垂直平分;但"中垂线上点等距"只适用于点对。

14第 14 页 · 课后思考
轴对称 · 知识图解