初中数学的自然原理
第六部分:坐标与图形的变化

总览:给图形装上坐标

给平面装上坐标,点就变成了一对数;图形的平移、翻折、旋转,就变成了对坐标的简单运算。

从数轴到坐标系#

数轴让每个数都有了一个位置(见第二部分“有理数”)。把两条数轴垂直地放在一起,平面上的每个点也都有了一对数,这就是平面直角坐标系。从此,“形”的问题可以用“数”来算:点的位置用坐标说,两点的距离用坐标差和勾股定理算,图形的面积用割补法算。

图形放进坐标系以后,还可以让它动起来。一个图形在平面上保持形状和大小不变地移动,只有三种基本方式:平移、轴对称(翻折)、旋转。

同一个三角形经过三种变换,分别落在另外三个象限

三种变换对比#

变换 由什么确定 什么不变 什么改变 对应点的关系 坐标怎样变(举例)
平移 方向、距离 形状、大小;对应线段平行(或共线) 位置 连线平行(或共线)且相等 向右 、向上 :
轴对称 对称轴 形状、大小;对称轴上的点 位置;顶点的绕向变反 对称轴垂直平分对应点连线 关于 轴:;关于 轴:
旋转 旋转中心、方向、旋转角 形状、大小;每点到中心的距离 位置;线段的方向 到中心距离相等,与中心连线的夹角等于旋转角 绕原点旋转 :
位似(对照) 位似中心、相似比 形状;对应线段平行(或共线) 位置、大小 连线都经过位似中心,到中心的距离成比例 以原点为中心、相似比 : 或

读这张表,可以看出几件事:

  • 前三种变换都不改变形状和大小, 所以变换前后的图形全等。全等是“静止地看”,变换是“动起来看”(见第五部分“全等三角形”)。
  • 旋转 就是中心对称。 两次沿互相垂直的直线翻折,结果正好是绕交点旋转 :开头那张图里,第一象限的原三角形关于 轴对称,落到第二象限;这个三角形再关于 轴对称,就落到了第三象限,正是原三角形绕原点旋转 的位置。
  • 只有轴对称会把图形翻个面。 平移和旋转怎么组合,顶点的绕向都不会变。
  • 位似改变大小、保持形状, 是从全等走向相似的变换,放在这里作对照(见第八部分“相似”)。

两页之间的关系#

页面 讲什么 核心的想法
平面直角坐标系 有序数对;点的坐标;象限;点到坐标轴的距离;用坐标描述图形和位置 两条数轴组成坐标系,点和有序实数对一一对应
平移、轴对称与旋转 三种变换的性质和画法;中心对称和中心对称图形;对称点的坐标;用坐标表示平移;图案设计;函数图象的平移 抓住对应点的关系,性质、画法、坐标规律都从它推出

建议的学习顺序:

  1. 先学第六部分“平面直角坐标系”(七年级下册)。重点是从坐标的意义出发想问题:横坐标管左右,纵坐标管上下,距离是坐标差的绝对值。
  2. 接着学第六部分“平移、轴对称与旋转”里的“平移”和“用坐标表示平移”(七年级下册)。
  3. 学完第五部分“轴对称与等腰三角形”后(八年级上册),回来看“轴对称”和对称点的坐标。
  4. 九年级上册学旋转时,再看“旋转”“中心对称”和“图案设计”,并把三种变换放在一起对比。

这一部分是后面许多内容的舞台:函数的图象画在坐标系里(见第七部分“函数”),抛物线的平移就是图象上每个点的平移(见第七部分“二次函数”),圆的许多性质来自旋转对称(见第九部分“圆的有关性质”),坐标让几何问题可以计算(见第十一部分“以数解形”)。