Abbildungen: Verschiebung, Spiegelung und Drehung
Du hast einen Stempel mit einem kleinen Stern. Du drückst ihn aufs Papier, hebst ihn an, schiebst ihn drei Kästchen nach rechts und stempelst noch einmal. Der zweite Stern ist genauso groß und genauso geformt wie der erste. Nur sein Platz ist anders.
Ein Spiegelbild im See und ein Riesenrad, das sich dreht, folgen demselben Gedanken: Etwas bleibt, wie es ist, und wechselt nur seinen Platz. In der Mathematik nennt man das eine Abbildung. Du lernst vier Arten kennen, beschreibst genau, wohin jeder Punkt wandert, und legst Muster, die eine Fläche lückenlos füllen.
Abbildung, Original und Bild
Bei einer Abbildung wird jeder Punkt einer Figur nach einer festen Regel an einen neuen Platz gesetzt. Die ursprüngliche Figur heißt Original, die neue Figur heißt Bild. Ein Punkt des Originals hat einen Großbuchstaben, zum Beispiel . Sein Bildpunkt bekommt einen Strich und heißt . Du sprichst das „A Strich“.
Bei allen Abbildungen dieser Lektion bleiben die Längen aller Strecken und die Größen aller Winkel gleich. Das Bild ist also genauso groß und genauso geformt wie das Original. Nur die Lage ändert sich.
Parallelverschiebung
Bei der Parallelverschiebung wird jeder Punkt um dieselbe Strecke in dieselbe Richtung geschoben, wie beim Stempel. Du gibst die Verschiebung mit einem Pfeil an, der zeigt, wie weit und wohin. Alle Strecken , und so weiter sind gleich lang und parallel zueinander.
Im Koordinatensystem beschreibst du den Pfeil mit zwei Zahlen: wie viele Einheiten nach rechts oder links und wie viele nach oben oder unten.
Verschiebung im Koordinatensystem
Verschiebung im Koordinatensystem
Ein Dreieck hat die Ecken , und . Es wird um 3 Einheiten nach rechts und 2 Einheiten nach oben verschoben. Bestimme das Bild.
| Punkt | Rechnung | Bildpunkt |
|---|---|---|
| und | ||
| und | ||
| und |
Zur ersten Zahl jedes Punkts addierst du 3, zur zweiten addierst du 2. Dann verbindest du , und . Das Bilddreieck sieht genauso aus wie das Original und liegt nur weiter oben rechts. Bei einer Verschiebung nach links oder nach unten ziehst du die Zahl ab. Dann achtest du darauf, dass keine Zahl kleiner als 0 wird.
Achsenspiegelung
Bei der Achsenspiegelung spiegelst du eine Figur an einer Geraden, der Spiegelachse. Für jeden Punkt und seinen Bildpunkt gilt:
- Die Strecke steht senkrecht auf der Achse.
- Die Achse halbiert die Strecke . und haben also denselben Abstand zur Achse.
- Ein Punkt auf der Achse bleibt an seinem Platz.
So zeichnest du : Zeichne mit dem Geodreieck das Lot von auf die Achse. Miss den Abstand von zur Achse und trage dieselbe Länge hinter der Achse auf dem Lot ab. Dort liegt . Das Bild ist seitenverkehrt: Bei einer senkrechten Achse tauschen links und rechts ihre Plätze, bei einer waagerechten Achse oben und unten. Fällt das Bild einer Figur genau auf die Figur selbst, ist sie achsensymmetrisch.
Spiegeln im Koordinatensystem
Spiegeln im Koordinatensystem
Spiegle und an der senkrechten Geraden durch . Spiegle dieselben Originalpunkte danach getrennt davon an der waagerechten Geraden durch . Die erste Gerade geht senkrecht durch die 6 auf der x-Achse, die zweite waagerecht durch die 4 auf der y-Achse. Die Bildpunkte der zweiten Spiegelung nennen wir und (sprich: A Stern, B Stern).
| Punkt | Spiegelung an der Geraden durch | Spiegelung an der Geraden durch |
|---|---|---|
| Abstand 4, also | Abstand 1, also | |
| Abstand 1, also | Abstand 3, also |
Eine senkrechte Achse hat ein waagerechtes Lot. Darum bleibt die zweite Zahl gleich, und nur die erste ändert sich. Für rechnest du: Abstand , dahinter . Bei einer waagerechten Achse ist es umgekehrt: Die erste Zahl bleibt, und die zweite ändert sich. Für rechnest du: Abstand , darüber .
Punktspiegelung
Bei der Punktspiegelung spiegelst du an einem Punkt , dem Zentrum. Der Bildpunkt liegt auf der Geraden durch und , auf der anderen Seite von und im gleichen Abstand. ist also die Mitte der Strecke . Das Bild steht auf dem Kopf. Die Punktspiegelung ist dasselbe wie eine halbe Drehung um 180° um . Das Zentrum bleibt an seinem Platz.
So zeichnest du : Verbinde mit und verlängere die Gerade über hinaus. Stelle den Zirkel auf die Länge ein, steche in ein und markiere diese Länge hinter . Das ist .
Punktspiegelung im Koordinatensystem
Punktspiegelung im Koordinatensystem
Spiegle die Punkte , und am Zentrum . Gehe dazu von aus denselben Weg wie zum Punkt, aber in die Gegenrichtung.
| Punkt | Weg von zum Punkt | Weg in Gegenrichtung | Bildpunkt |
|---|---|---|---|
| 2 links, 1 runter | 2 rechts, 1 hoch | ||
| 1 rechts, 2 runter | 1 links, 2 hoch | ||
| 1 links | 1 rechts |
Du zählst Kästchen, statt zu messen. Zur Probe gehst du von aus die Hälfte des Wegs zu : 2 nach rechts und 1 nach oben. Du landest bei . Das Zentrum ist die Mitte der Strecke.
Drehung
Bei einer Drehung wird die Figur um einen Punkt , das Drehzentrum, gedreht. Du brauchst den Drehwinkel in Grad und die Drehrichtung: im Uhrzeigersinn, wie die Zeiger der Uhr, oder gegen den Uhrzeigersinn. Jeder Punkt wandert auf einem Kreis um . Darum gilt , und der Winkel bei ist der Drehwinkel. bleibt an seinem Platz.
So zeichnest du : Zeichne die Strecke . Trage mit dem Geodreieck bei den Drehwinkel in der Drehrichtung an. Stelle den Zirkel auf die Länge ein, steche in ein und markiere diese Länge auf dem neuen Schenkel. Das ist .
Drehung um 90 Grad im Koordinatensystem
Drehung um 90 Grad im Koordinatensystem
Drehe und um um 90° gegen den Uhrzeigersinn.
| Punkt | Weg von zum Punkt | Weg nach der Drehung | Bildpunkt |
|---|---|---|---|
| 3 rechts | 3 hoch | ||
| 2 rechts, 1 hoch | 2 hoch, 1 links |
Bei 90° gegen den Uhrzeigersinn wird jeder Schritt eine Vierteldrehung weitergedreht: Aus „rechts“ wird „hoch“, aus „hoch“ wird „links“. Bei werden 2 Schritte nach rechts zu 2 Schritten nach oben, und 1 Schritt nach oben wird zu 1 Schritt nach links. Von aus landest du bei .
Parkett
Ein Parkett ist ein Muster aus gleichen Figuren, die eine Fläche ohne Lücken und ohne Überlappung bedecken. Du kennst es von Fliesen und Pflastersteinen. Du erzeugst es, indem du eine Figur immer wieder abbildest: verschiebst, spiegelst oder drehst. Das gelingt mit Quadraten, Rechtecken, gleichseitigen Dreiecken und regelmäßigen Sechsecken, wie in der Bienenwabe. Dort, wo mehrere Ecken zusammentreffen, müssen alle Winkel zusammen genau 360° ergeben.
Mit Computerprogrammen, die dynamische Geometriesoftware heißen, zum Beispiel GeoGebra, kannst du Figuren am Bildschirm zeichnen und mit einem Befehl spiegeln, verschieben oder drehen. Ziehst du mit der Maus am Original, bewegt sich das Bild sofort mit.
Ein Parkett aus gleichseitigen Dreiecken
Ein Parkett aus gleichseitigen Dreiecken
Wie entsteht aus einem gleichseitigen Dreieck ein Parkett?
Jeder Winkel eines gleichseitigen Dreiecks misst 60°. Um eine Ecke passen genau 6 Dreiecke, denn . Du bekommst sie durch Drehungen um um 60°, 120°, 180°, 240° und 300°. Spiegelst du ein Dreieck an einer seiner Seiten, liegt das Bild direkt daneben. Beim Quadrat treffen sich 4 rechte Winkel, . Beim regelmäßigen Sechseck sind es 3 Winkel zu je 120°.
Den Abstand zur Achse nur einmal gehen
Den Abstand zur Achse nur einmal gehen
Jemand spiegelt an der senkrechten Geraden durch . Er rechnet den Abstand , addiert ihn zu 2 und schreibt .
Mit landet er genau auf der Achse. Du musst den Abstand zweimal gehen: einmal bis zur Achse und dann noch einmal dahinter. Das sind , oder kürzer . Richtig ist .
Die Drehrichtung vergessen
Die Drehrichtung vergessen
Jemand soll um um 90° gegen den Uhrzeigersinn drehen. Er dreht im Uhrzeigersinn und erhält .
Die Drehrichtung gehört zur Aufgabe. Von aus sind es 3 Schritte nach rechts. Gegen den Uhrzeigersinn werden daraus 3 Schritte nach oben, das Bild ist . Im Uhrzeigersinn werden es 3 Schritte nach unten, das ergibt . Das sind zwei verschiedene Punkte.
Zusammenfassung
Bei einer Abbildung wird ein Original auf ein Bild abgebildet. Der Bildpunkt von heißt . Längen und Winkel bleiben gleich.
Parallelverschiebung: Alle Punkte wandern um dieselbe Strecke in dieselbe Richtung. Im Koordinatensystem addierst oder subtrahierst du bei den Zahlen.
Achsenspiegelung: und liegen auf einem Lot zur Achse im gleichen Abstand. Bei einer senkrechten Achse bleibt die zweite Zahl gleich, bei einer waagerechten die erste.
Punktspiegelung: Das Zentrum ist die Mitte von . Sie ist eine Drehung um 180°.
Drehung: Du brauchst Drehzentrum, Drehwinkel und Drehrichtung. und sind gleich lang.
Ein Parkett entsteht durch Abbildungen einer Figur. Um jede Ecke müssen die Winkel zusammen 360° ergeben.
Übungen
Der Punkt wird um 5 Einheiten nach rechts und 2 Einheiten nach oben verschoben. Wie lautet der Bildpunkt?
Der Punkt wird an der senkrechten Geraden durch gespiegelt. Wie lautet die erste Zahl des Bildpunkts?
Der Punkt wird am Zentrum punktgespiegelt. Welche Aussage stimmt immer?
Der Punkt wird am Zentrum punktgespiegelt. Wie lautet die zweite Zahl des Bildpunkts?
Der Punkt wird um um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Wie lautet die zweite Zahl des Bildpunkts?
Warum lässt sich mit regelmäßigen Fünfecken kein Parkett legen? Jeder Winkel im regelmäßigen Fünfeck misst 108°.