几何 · 刚体变换

刚体变换

刚体变换是不改变任何距离的平面变换:平移、旋转、反射或滑移反射。先后照两面镜子,得到一次旋转;两镜平行时得到一次平移。

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刚体变换与本页画面

平面上的刚体变换(也叫保距变换)保持任意两点间的距离:对所有点P、Q,∣f(P)f(Q)∣=∣PQ∣|f(P)f(Q)| = |PQ|。它恰好有四类:平移、旋转、反射、滑移反射。前两类不翻面(行列式为+1),后两类把图形翻过来(行列式为−1),所以脚印的镜像是一只左脚,画成斜线纹。有些书只把前两类叫作刚体运动;本页按“保距”来用这个词,包括反射。

本页用镜子搭出所有刚体变换。先照镜子1,再照镜子2:两镜相交于C、从镜子1到镜子2的有向夹角是θ2−θ1\theta_2 - \theta_1时,结果是绕C旋转这个角的2倍。两镜平行、相距d时,结果是垂直于镜子、从镜子1指向镜子2平移2d;两镜重合时,每个点都回到原处。

两次反射
相交:绕 C 旋转 2(θ2−θ1),平行:平移 2d\text{相交:绕 } C \text{ 旋转 } 2(\theta_2 - \theta_1), \qquad \text{平行:平移 } 2d

为什么是2倍:从C看,点P与镜子1的有向夹角为φ,照镜子1后变成−φ;镜子2与镜子1成θ,照镜子2后变成2θ + φ。每个点都转过2θ,与φ无关,而且两次反射都不改变它到C的距离。“点P”键把这两对等角画出来。只有夹角要紧,所以两面镜子一起绕C转,结果不变;交换顺序,转向相反。

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值得注意

  • 绕支点把镜子2转向镜子1的方向:交点C沿镜子1飞向远处,转角越来越小,正好平行时旋转就变成了平移。接近平行仍是旋转,只是中心在很远的地方;画面边上的箭头指向它,并写出它的坐标。本页把每个角精确保存到千分之一度,平行、重合、反射还是滑移反射,都由这些精确值判断,不用舍入后的数。
  • 照奇数次镜子,图形翻面。三面镜子合起来是滑移反射——先反射、再沿反射轴滑移,就是一串脚印里从一只到下一只的那一步;三面镜子共点或都平行时,合起来只是一次反射。
  • “摆目标”把论证倒过来:任何刚体变换最多用三面镜子。镜子1是把A送到A′的中垂线,镜子2把B的像送到B′(它过A′),还需要时镜子3把C的像送到C′(它过A′和B′)。某一步的点已经对上,就跳过那一面:旋转和平移用两面,反射用一面,滑移反射用三面。
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操作

  • 拖镜子上的点或镜子本身可以挪动它,拖圆环可以转动它;转动的镜子与其他镜子每隔15°吸住一次(包括平行)。罗盘转镜子2,上面刻着镜子1的方向;方向可以用度数键入(40、22.5、π/4)。在“摆目标”里,拖虚线的脚印挪动它,拖它的圆环转动它,按“翻面”或双击把它翻过来。
  • “演示模式”打开适合投影的全屏视图:← →每次转15°,H隐藏镜子合成的结果,镜子和像照常显示。
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相关概念

旋转和反射的矩阵在线性变换页;函数图像的平移和翻折在函数图像变换页;乘以模为1的复数就是旋转,在复平面页。

延伸阅读:维基百科:Rigid transformation(英文);维基百科:反射 (数学);维基百科:Glide reflection(英文)。