Lektion 7.3

Abbildungen: Verschiebung, Spiegelung und Drehung

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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.

Definition

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 AA. Sein Bildpunkt bekommt einen Strich und heißt A′A'. 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.

Definition

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 AA′‾\overline{AA'}, BB′‾\overline{BB'} 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.

Beispiel

Verschiebung im Koordinatensystem

Ein Dreieck hat die Ecken A(1∣3)A(1|3), B(3∣1)B(3|1) und C(2∣4)C(2|4). Es wird um 3 Einheiten nach rechts und 2 Einheiten nach oben verschoben. Bestimme das Bild.

PunktRechnungBildpunkt
A(1∣3)A(1|3)1+31 + 3 und 3+23 + 2A′(4∣5)A'(4|5)
B(3∣1)B(3|1)3+33 + 3 und 1+21 + 2B′(6∣3)B'(6|3)
C(2∣4)C(2|4)2+32 + 3 und 4+24 + 2C′(5∣6)C'(5|6)

Zur ersten Zahl jedes Punkts addierst du 3, zur zweiten addierst du 2. Dann verbindest du A′A', B′B' und C′C'. 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.

Definition

Achsenspiegelung

Bei der Achsenspiegelung spiegelst du eine Figur an einer Geraden, der Spiegelachse. Für jeden Punkt PP und seinen Bildpunkt P′P' gilt:

  • Die Strecke PP′‾\overline{PP'} steht senkrecht auf der Achse.
  • Die Achse halbiert die Strecke PP′‾\overline{PP'}. PP und P′P' haben also denselben Abstand zur Achse.
  • Ein Punkt auf der Achse bleibt an seinem Platz.

So zeichnest du P′P': Zeichne mit dem Geodreieck das Lot von PP auf die Achse. Miss den Abstand von PP zur Achse und trage dieselbe Länge hinter der Achse auf dem Lot ab. Dort liegt P′P'. 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.

Beispiel

Spiegeln im Koordinatensystem

Spiegle A(2∣3)A(2|3) und B(5∣1)B(5|1) an der senkrechten Geraden durch x=6x = 6. Spiegle dieselben Originalpunkte danach getrennt davon an der waagerechten Geraden durch y=4y = 4. 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 A∗A^* und B∗B^* (sprich: A Stern, B Stern).

PunktSpiegelung an der Geraden durch x=6x = 6Spiegelung an der Geraden durch y=4y = 4
A(2∣3)A(2|3)Abstand 4, also A′(10∣3)A'(10|3)Abstand 1, also A∗(2∣5)A^*(2|5)
B(5∣1)B(5|1)Abstand 1, also B′(7∣1)B'(7|1)Abstand 3, also B∗(5∣7)B^*(5|7)

Eine senkrechte Achse hat ein waagerechtes Lot. Darum bleibt die zweite Zahl gleich, und nur die erste ändert sich. Für AA rechnest du: Abstand 6−2=46 - 2 = 4, dahinter 6+4=106 + 4 = 10. Bei einer waagerechten Achse ist es umgekehrt: Die erste Zahl bleibt, und die zweite ändert sich. Für BB rechnest du: Abstand 4−1=34 - 1 = 3, darüber 4+3=74 + 3 = 7.

Definition

Punktspiegelung

Bei der Punktspiegelung spiegelst du an einem Punkt ZZ, dem Zentrum. Der Bildpunkt P′P' liegt auf der Geraden durch PP und ZZ, auf der anderen Seite von ZZ und im gleichen Abstand. ZZ ist also die Mitte der Strecke PP′‾\overline{PP'}. Das Bild steht auf dem Kopf. Die Punktspiegelung ist dasselbe wie eine halbe Drehung um 180° um ZZ. Das Zentrum bleibt an seinem Platz.

So zeichnest du P′P': Verbinde PP mit ZZ und verlängere die Gerade über ZZ hinaus. Stelle den Zirkel auf die Länge ZP‾\overline{ZP} ein, steche in ZZ ein und markiere diese Länge hinter ZZ. Das ist P′P'.

Beispiel

Punktspiegelung im Koordinatensystem

Spiegle die Punkte P(2∣2)P(2|2), Q(5∣1)Q(5|1) und R(3∣3)R(3|3) am Zentrum Z(4∣3)Z(4|3). Gehe dazu von ZZ aus denselben Weg wie zum Punkt, aber in die Gegenrichtung.

PunktWeg von ZZ zum PunktWeg in GegenrichtungBildpunkt
P(2∣2)P(2|2)2 links, 1 runter2 rechts, 1 hochP′(6∣4)P'(6|4)
Q(5∣1)Q(5|1)1 rechts, 2 runter1 links, 2 hochQ′(3∣5)Q'(3|5)
R(3∣3)R(3|3)1 links1 rechtsR′(5∣3)R'(5|3)

Du zählst Kästchen, statt zu messen. Zur Probe gehst du von P(2∣2)P(2|2) aus die Hälfte des Wegs zu P′(6∣4)P'(6|4): 2 nach rechts und 1 nach oben. Du landest bei Z(4∣3)Z(4|3). Das Zentrum ist die Mitte der Strecke.

Definition

Drehung

Bei einer Drehung wird die Figur um einen Punkt ZZ, 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 PP wandert auf einem Kreis um ZZ. Darum gilt ZP‾=ZP′‾\overline{ZP} = \overline{ZP'}, und der Winkel bei ZZ ist der Drehwinkel. ZZ bleibt an seinem Platz.

So zeichnest du P′P': Zeichne die Strecke ZP‾\overline{ZP}. Trage mit dem Geodreieck bei ZZ den Drehwinkel in der Drehrichtung an. Stelle den Zirkel auf die Länge ZP‾\overline{ZP} ein, steche in ZZ ein und markiere diese Länge auf dem neuen Schenkel. Das ist P′P'.

Beispiel

Drehung um 90 Grad im Koordinatensystem

Drehe P(5∣2)P(5|2) und Q(4∣3)Q(4|3) um Z(2∣2)Z(2|2) um 90° gegen den Uhrzeigersinn.

PunktWeg von ZZ zum PunktWeg nach der DrehungBildpunkt
P(5∣2)P(5|2)3 rechts3 hochP′(2∣5)P'(2|5)
Q(4∣3)Q(4|3)2 rechts, 1 hoch2 hoch, 1 linksQ′(1∣4)Q'(1|4)

Bei 90° gegen den Uhrzeigersinn wird jeder Schritt eine Vierteldrehung weitergedreht: Aus „rechts“ wird „hoch“, aus „hoch“ wird „links“. Bei QQ werden 2 Schritte nach rechts zu 2 Schritten nach oben, und 1 Schritt nach oben wird zu 1 Schritt nach links. Von Z(2∣2)Z(2|2) aus landest du bei (2−1∣2+2)=(1∣4)(2 - 1|2 + 2) = (1|4).

Definition

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.

Beispiel

Ein Parkett aus gleichseitigen Dreiecken

Wie entsteht aus einem gleichseitigen Dreieck ein Parkett?

Jeder Winkel eines gleichseitigen Dreiecks misst 60°. Um eine Ecke ZZ passen genau 6 Dreiecke, denn 6⋅60=3606 \cdot 60 = 360. Du bekommst sie durch Drehungen um ZZ 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, 4⋅90=3604 \cdot 90 = 360. Beim regelmäßigen Sechseck sind es 3 Winkel zu je 120°.

Häufige Fehler

Den Abstand zur Achse nur einmal gehen

Jemand spiegelt P(2∣3)P(2|3) an der senkrechten Geraden durch x=6x = 6. Er rechnet den Abstand 6−2=46 - 2 = 4, addiert ihn zu 2 und schreibt P′(6∣3)P'(6|3).

Richtig ist

Mit 2+4=62 + 4 = 6 landet er genau auf der Achse. Du musst den Abstand zweimal gehen: einmal bis zur Achse und dann noch einmal dahinter. Das sind 2+4+4=102 + 4 + 4 = 10, oder kürzer 6+4=106 + 4 = 10. Richtig ist P′(10∣3)P'(10|3).

Häufige Fehler

Die Drehrichtung vergessen

Jemand soll P(5∣4)P(5|4) um Z(2∣4)Z(2|4) um 90° gegen den Uhrzeigersinn drehen. Er dreht im Uhrzeigersinn und erhält (2∣1)(2|1).

Richtig ist

Die Drehrichtung gehört zur Aufgabe. Von ZZ aus sind es 3 Schritte nach rechts. Gegen den Uhrzeigersinn werden daraus 3 Schritte nach oben, das Bild ist P′(2∣7)P'(2|7). Im Uhrzeigersinn werden es 3 Schritte nach unten, das ergibt (2∣1)(2|1). Das sind zwei verschiedene Punkte.

Zusammenfassung

  • Bei einer Abbildung wird ein Original auf ein Bild abgebildet. Der Bildpunkt von AA heißt A′A'. 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: PP und P′P' 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 ZZ ist die Mitte von PP′‾\overline{PP'}. Sie ist eine Drehung um 180°.

  • Drehung: Du brauchst Drehzentrum, Drehwinkel und Drehrichtung. ZP‾\overline{ZP} und ZP′‾\overline{ZP'} sind gleich lang.

  • Ein Parkett entsteht durch Abbildungen einer Figur. Um jede Ecke müssen die Winkel zusammen 360° ergeben.

Übungen

Aufgabe 1Multiple Choice

Der Punkt A(3∣4)A(3|4) wird um 5 Einheiten nach rechts und 2 Einheiten nach oben verschoben. Wie lautet der Bildpunkt?

Aufgabe 2Numerisch

Der Punkt P(1∣5)P(1|5) wird an der senkrechten Geraden durch x=4x = 4 gespiegelt. Wie lautet die erste Zahl des Bildpunkts?

Aufgabe 3Multiple Choice

Der Punkt PP wird am Zentrum ZZ punktgespiegelt. Welche Aussage stimmt immer?

Aufgabe 4Numerisch

Der Punkt P(8∣3)P(8|3) wird am Zentrum Z(5∣5)Z(5|5) punktgespiegelt. Wie lautet die zweite Zahl des Bildpunkts?

Aufgabe 5Numerisch

Der Punkt P(6∣2)P(6|2) wird um Z(3∣2)Z(3|2) um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht. Wie lautet die zweite Zahl des Bildpunkts?

Aufgabe 6Freitext

Warum lässt sich mit regelmäßigen Fünfecken kein Parkett legen? Jeder Winkel im regelmäßigen Fünfeck misst 108°.