軸反射變換(axial reflection transformation)簡稱軸反射,是歐氏幾何中一種重要變換。在歐氏平面上或歐氏空間中,把任一點A映成關(guān)于給定直線S對稱的點A′的變換稱為關(guān)于直線S的軸反射變換,直線S稱為反射軸。平面軸反射是第二種正交變換,空間軸反射變換亦稱半周旋轉(zhuǎn),它是旋轉(zhuǎn)角為π的空間繞反射軸的旋轉(zhuǎn),因而是第一種正交變換。在軸反射變換下,連結(jié)每一對對應點A,A′所得到的線段都垂直于S,且被S所平分,反射軸上的每一點都是不動點,在平面直角坐標系中,若以x軸為反射軸,則軸反射的代數(shù)表達式為x'=x,y'=-y,其中(x,y),(x′,y′)分別是變換前的點與它的對應點的坐標。

外文名

axial reflection transformation

所屬問題

高等幾何(仿射幾何)

所屬學科

數(shù)學

基本介紹

是平面

的一條定直線,如果平面

的一個變換,使得對于平面

上不在直線

上的任意一點A與其對應點A’的連線AA'恒被直線

垂直平分,而直線

上的點都不動,則這個變換稱為平面

軸反射變換

,記作

。其中定直線

稱為

反射軸

(圖1)。

圖1

按定義即知,反射軸上的點都是軸反射變換的不動點,且軸反射變換是可逆的,其逆變換就是自身。即

顯然,軸反射變換由反射軸唯一確定,也可由兩個非不動點的對應點唯一確定。

點A在軸反射變換

下的像A’也稱為圖形F關(guān)于直線l的對稱點;一個圖形F在軸反射變換

下的像F''則稱為圖形F關(guān)于直線l的對稱圖形,也稱圖形F與F'關(guān)于直線l對稱(圖2)。

圖2

相關(guān)定理

定理1

軸反射變換是鏡像合同變換。

證明

是平面

的一個軸反射變換,對平面

上的任意兩點A、B,設

。

(1)如果A、B兩點都在反射軸f上(圖3),則

,此時顯然有

。

圖3

(2)如果A、B兩點中僅有一個點在反射軸l上,不妨設點A在l上(圖4),則

,由于A是線段BB’的垂直平分線l上的點,因此

,即

圖4

(3)如果4、B兩點都不在反射軸l上(圖5和圖6),設線段

與l的交點分別為M、N,則M、N分別為線段AA’、BB’的中點,所以

,且

。于是,由

所以,

,從而

。

綜合(1),(2),(3)即知,S(l)是一個合同變換。

圖5

圖6

再設A、B是反射軸l上的兩個不同的點,而C是平面

上不在l上的一點(圖7),則A、B是S(l)的兩個不動點。設

,則

是S(l)的兩個對應三角形,因l垂直平分線段CC’,所以C’、C分布在直線l的兩側(cè),從而

異向。故S(l)是平面

的一個鏡像合同變換。

由相關(guān)定理知軸反射變換同樣具有合同變換的一切不變性質(zhì)和不變量。

定理2

設S(l)是平面

的一個軸反射變換,則

(1)點A是S(l)的不動點當且僅當A在反射軸l上;

(2)直線m是S(l)的不變直線當且僅當

或m與l重合。

證明

(1)由軸反射變換的定義即知。

(2)當

或m與l重合時,由軸反射變換的定義即可知m是S(l)的不變直線。反之,設m是軸反射變換S(l)的一條不變直線。如果m上的每一個點都是S(l)的不動點,由(1)即知m與l重合,如果直線m上存在S(l)的一個非不動點,設

,則

。因m是S(l)的不變直線,所以A’也在直線m上,由軸反射變換的定義知,反射軸l垂直(平分)線段AA',而A、A'是直線m上的兩個不同的點,故

定理3

在軸反射變換下,任意一條非不變直線與其對應直線或相交于反射軸上,或皆與反射軸平行,并且反射軸上任意一點到兩對應直線的距離相等。

證明

設S(l)是平面

的一個軸反射變換,平面

上的直線m是S(l)的一條非不變直線,

,則

,若m與l相交于一點A(圖8),因A在反射軸l上,所以A是S(l)的一個不動點,又A在直線m上,所以A也在其像直線m’上,即直線m'與m相交于反射軸l上的點A;若

,而m’與反射軸l交于一點P,則由于m、m'互為像直線,所以直線m與l也交于P,這與

矛盾,因此必有

(圖9)。

圖8

圖9

當m’與m相交于反射軸l上的一點A時(圖8),在直線m上任取一點B,

,并設

,則因l垂直平分線段BB',所以l平分∠BAB’。從而反射軸l上的任意一點到直線m與m'的距離相等,當

時(圖9),在直線m上任取一點A,設

,則A’在直線m上,且

。因l垂直平分線段AA',所以,l到直線m與m'的距離相等,即反射軸l上任意一點到直線m與m’的距離相等。

最后指出,軸反射變換作為一個合同變換,當然會保持兩直線的夾角大小不變,但軸反射變換是一個鏡像合同變換,因此它已經(jīng)改變了角的方向,這個性質(zhì)稱為軸反射變換的反向保角性。

三種合同變稱——平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、軸反射變換是三種基本的合同變換,前兩種是真正合同變換,后一種是鏡像合同變換.這三種合同變換各有自己區(qū)別于其他合同變換的一些獨特的性質(zhì),這三種合同變換基本上窮盡了平面上的所有合同變換。