- •«Геометрические преобразования»
- •Часть I. Движения пространства.
- •1. Общие свойства движений.
- •2. Множество неподвижных точек движений.
- •3. Виды движений.
- •3.1. Тождественное преобразование.
- •3.2. Параллельный перенос.
- •3.3 Поворот вокруг оси, симметрия относительно прямой.
- •3.5. Симметрия относительно плоскости.
- •3.6. Переносная симметрия, поворотная симметрия, винтовое движение.
- •3.4. Центральная симметрия.
- •4. Неподвижные точки различных видов движений пространства.
- •5. Теорема о задании движения.
- •6. Движения первого и второго рода.
- •7. Классификация движений пространства.
- •Часть II. Подобия пространства.
- •1. Гомотетия пространства.
- •2. Свойства подобия.
- •3. Подобия первого и второго рода.
- •Часть III. Аффинные преобразования.
- •1. Общие свойства аффинных преобразований плоскости.
- •2. Сжатие к прямой.
- •3. Аффинные преобразования пространства.
- •4. Родство пространства.
- •Часть IV. Проективные преобразования.
- •1. Проективные преобразования плоскости.
- •2. Проективные теоремы.
- •3. Полярное соответствие, принцип двойственности.
- •Часть V. Круговые преобразования пространства.
- •1. Инверсия пространства.
- •2. Круговые преобразования.
2. Сжатие к прямой.
Определение. Сжатием к прямой
ℓ с коэффициентом k (
)
называется преобразование, переводящее
произвольную точку М в такую точку М´,
что
и
,
где
.
Теорема 2.1. Сжатие к прямой – аффинное преобразование.
Доказательство. Непосредственной проверкой убеждаемся, что прямая переходит в прямую. Можно даже заметить, что сжатие к прямой – частный случай параллельного проектирования (когда направление проектирования перпендикулярно линии пересечения плоскостей).
Теорема 2.2. Для любого аффинного преобразования существует квадратная решётка, которая при этом преобразовании переходит в прямоугольную решётку.
Доказательство. Возьмём произвольную
квадратную решётку и рассмотрим один
из её квадратиков ОАВС. Он при нашем
преобразовании перейдёт в параллелограмм
О´А´В´С´. Если О´А´В´С´ – прямоугольник,
то наше доказательство закончено. В
противном случае положим для определённости,
что угол А´О´В´ – острый. Будем
поворачивать квадрат ОАВС и всю нашу
решётку вокруг точки О. Когда квадрат
ОАВС повернётся на
(так что точка А перешла в точку В), точка
А´ перейдёт в точку В´, а В´ в вершину
параллелограмма, смежного с О´А´В´С´.
Т.е. угол А´О´В´ станет тупым. По принципу
непрерывности, в какой-то момент он был
прямым. В этот момент квадрат ОАВС
переходил в прямоугольник, а наша решётка
– в прямоугольную решётку, ч.т.д.
Теорема 2.3. Аффинное преобразование можно представить композицией сжатия к прямой и подобия.
Доказательство. Следует из теоремы 2.2.
Теорема 2.4. Аффинное преобразование, переводящее некоторую окружность в окружность, является подобием.
Доказательство. Опишем около нашей окружности квадрат и повернём его так, чтобы он переходил при нашем преобразовании в прямоугольник (теорема 2.2.). Наша окружность перейдёт в окружность, вписанную в этот прямоугольник, поэтому этот прямоугольник является квадратом. Теперь мы можем указать квадратную решётку, переходящую при нашем преобразовании в квадратную решётку. Очевидно, наше преобразование – подобие.
3. Аффинные преобразования пространства.
Определение. Аффинным преобразованием пространства называется преобразование пространства, переводящее каждую плоскость в плоскость.
Свойства.
При аффинном преобразовании прямые переходят в прямые.
Аффинное преобразование пространства индуцирует аффинное отображение каждой плоскости на её образ.
При аффинном преобразовании параллельные плоскости (прямые) переходят в параллельные плоскости (прямые).
Доказательства свойств.
Следует из того, что прямая есть пересечение двух плоскостей, и из определения аффинного преобразования.
Следует из определения аффинного преобразования и свойства 1.
Для плоскостей доказывается от противного, для прямых – через свойство 2 и свойство аффинного преобразования плоскости.
Теорема 3.1. (о задании аффинного преобразования пространства) Для любых данных тетраэдров АВСD и А´В´С´D´ существует единственное аффинное преобразование, переводящее А в А´, В в В´, С в С´, D в D´.
Доказательство. Доказывается аналогично теореме 1.1. (строятся решётки параллелепипедов).
Из доказательства теоремы 3.1 следует, что если у нас есть некоторая косоугольная система координат W, а W´ – её образ при аффинном преобразовании, то координаты произвольной точки пространства в системе координат W равны координатам её образа в системе координат W´.
Отсюда сразу вытекают ещё некоторые свойства аффинного преобразования.
Преобразование, обратное аффинному, является аффинным.
Аффинные преобразования сохраняют отношения длин параллельных отрезков.
Теперь пусть в пространстве задана
система координат (О,
,
,
)
и аффинное преобразование f
переводит О в О´
,
а базисные вектора в вектора
,
,
соответственно. Найдём координаты x´,
y´, z´ образа
M´(x´,y´,z´)
точки M(x,y,z)
при преобразовании f.
Будем исходить из того, что точка М в
системе координат (О,
,
,
)
имеет такие же координаты, что и точка
М´ в системе координат (О´,
,
,
).
Отсюда
.
Поэтому имеем равенства (*):
Стоит ещё заметить, что
,
т.к. векторы
,
,
линейно независимы.
Этот определитель
называется определителем аффинного
преобразования.
Теорема 3.2. Преобразование, заданное
равенствами (*), при
является аффинным.
Доказательство. Достаточно проверить, что преобразование, обратное преобразованию(*), является аффинным (свойство 4). Возьмём произвольную плоскость Аx´+Вy´+Сz´+D=0, где А, В, С не равны одновременно нулю. Выполняя подстановки (*), получим уравнение её прообраза:
.
Остаётся лишь проверить, что в полученном уравнении коэффициенты при x, y, z одновременно не равны нулю. Это действительно так, т.к. иначе система
с неравным нулю определителем имела бы лишь нулевое решение: А=В=С=0, что неверно.
Теорема 3.3. Для объёмов V
и V´ соответственных при
аффинном преобразовании тел имеет место
зависимость
.
Доказательство. Пусть некомпланарные
векторы
,
,
образуют векторный базис пространства,
и пусть в пространстве заданы векторы
,
и
.
Вычислив смешанное произведение этих
векторов, получим:
.
Воспользуемся тем, что объём ориентированного
параллелепипеда, построенного на
векторах
как на рёбрах, равен смешанному
произведению этих векторов:
,
где V0 – объём параллелепипеда, построенного на базисных векторах.
Аффинное преобразование не изменяет координаты соответственных векторов в соответственных базисах. Поэтому для объёма V´ образа параллелепипеда объёма V имеем:
,
где
– объём параллелепипеда, построенного
на векторах
,
как на рёбрах.
Отсюда получаем:
.
Далее
,
поэтому для неориентированных объёмов
имеем
.
На все тела это равенство можно
распространить аналогично доказательству
свойства 4 подобий (часть II,
§2).
Задача.
Вершина параллелепипеда соединена с центрами трёх не содержащих её граней. Найдите отношение объёма полученного тетраэдра к объёму данного параллелепипеда.
Решение.
Посчитаем данное отношение для куба и, переведя аффинным преобразованием куб в параллелепипед, воспользуемся тем, что аффинное преобразование сохраняет отношение объёмов. Для куба отношение легко считается. Оно равно 1:12.
Ответ: 1:12.
