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mathematische Transformation Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Eine zentrische Streckung ist in der Geometrie eine Abbildung, die alle Strecken in einem bestimmten, gegebenen Verhältnis vergrößert oder verkleinert, wobei die Bildstrecken jeweils zu den ursprünglichen Strecken parallel sind. Definiert wird sie jedoch letztlich als Abbildung von Punkten. Als Beispiel dient das nebenstehende Bild: Ein Dreieck wird dabei auf ein neues Dreieck (dem Bilddreieck) so abgebildet, dass alle Seitenverhältnisse und auch Winkel erhalten bleiben, das Bilddreieck jedoch insgesamt größer ist. Im Fall des Beispiels haben sich alle Seiten um den Faktor vergrößert. Die Position des Bildes wird insofern durch einen fixen Punkt bestimmt, dass alle Punkte auf dem Bilddreieck mit ihrem „entsprechenden Punkt“ und auf einer gemeinsamen Geraden liegen (im Falle der Eckpunkte sind diese Geraden eingezeichnet).
Zentrische Streckungen sind spezielle Ähnlichkeitsabbildungen, in der synthetischen Geometrie nennt man sie auch Homothetien.[1]
Exakt definieren lässt sich die zentrische Streckung in der Fachsprache der linearen Algebra. Dort wird ebenfalls auf die in der Schulmathematik übliche Beschränkung auf die Dimensionen 2 und 3 verzichtet, was eine weit umfassendere Einsetzbarkeit des Konzepts in der Geometrie und ihren Anwendungen erlaubt: Eine zentrische Streckung ist in einem euklidischen Raum (dazu zählt zum Beispiel die Zahlenebene) eine Abbildung mit einem ausgezeichneten Punkt , dem Zentrum, die einem Punkt einen Punkt so zuordnet, dass
für eine feste reelle Zahl ist. Der Wert heißt dabei der Streckfaktor. Der Punkt wird dabei auf der Gerade so bewegt, dass der Abstand zum Zentrum mit multipliziert wird. Im Bild ist . Vektoriell lässt sich eine zentrische Streckung beschreiben durch die Zuordnung
wobei die Ortsvektoren von sind.
Da zentrische Streckungen über die Eigenschaft verfügen, dass jede Gerade stets auf eine dazu parallele Gerade abgebildet wird, handelt es sich um eine spezielle Dilatation.
Zentrische Streckungen haben vielfältige Anwendungen. Etwa sind sie in jedem Smartphone zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Bildschirminhalts mit Fingergesten eingebaut. Sie verzerren dabei nicht den Bildinhalt.
Eine Strecke wird zentrisch um den Faktor und das Zentrum gestreckt, indem man
Diese Definition für Strecken überträgt sich unmittelbar auf Vielecke, die ja aus miteinander verbundenen Strecken bestehen (siehe etwa das im ersten Bild verlinkte Konstruktionsprotokoll). Sie überträgt sich auch auf beliebige geometrische Figuren, wo allerdings mitunter jeder einzelne Punkt in dieser Weise abgebildet werden müsste. Im Falle eines Kreises genügt es, den Kreismittelpunkt entsprechend abzubilden und den Radius des Bildkreises entsprechend anzupassen.
Ist der Streckfaktor negativ, so muss man die Bildpunkte im Abstand des Betrags von auf der entsprechenden Hilfsgeraden zur bezogen auf gegenüberliegenden Seite einzeichnen (also auf die Halbgerade mit Endpunkt , auf der der ursprüngliche Punkt nicht liegt). Dadurch dreht sich die gestreckte Figur relativ zur ursprünglichen um 180° (siehe zweites Bild).
Ist , so ergibt sich als Bild die ursprüngliche Figur, für ist das Bild eine reine Drehung um . Für würden alle Punkte auf das Zentrum abgebildet werden, weshalb es keine Ähnlichkeitsabbildung mehr wäre; deshalb wird dieser Wert im Definitionsbereich für gewöhnlich ausgeschlossen.
Ist von einer zentrischen Streckung mit Zentrum das Bild eines Punktes gegeben, so lässt sich das Bild eines Punktes , der nicht auf der Gerade liegt, mit Hilfe des Strahlensatzes zeichnerisch bestimmen (siehe Bild): ist der Schnittpunkt der Parallele zu mit der Gerade . Mit dem Paar lassen sich dann auch die Bilder von Punkten auf der Gerade bestimmen.
Als es noch keine Computer gab, wurde zur Skalierung (zentrische Streckung) von ebenen Kurven im Ingenieur- und Vermessungswesen der zirkelähnliche Pantograf verwendet.
Funktionsweise:
Wegen folgt aus dem Strahlensatz: die Punkte liegen auf einer Gerade und es ist . Die Zuordnung ist also eine zentrische Streckung.
Eine zentrische Streckung ist in einem euklidischen Raum eine Abbildung mit einem ausgezeichneten Punkt , dem Zentrum, die einem Punkt einen Punkt so zuordnet,[2] dass
heißt der Streckfaktor. Der Punkt wird dabei auf der Gerade so bewegt, dass der Abstand zum Zentrum mit multipliziert wird.
Vektoriell lässt sich eine zentrische Streckung beschreiben durch die Zuordnung
wobei die Ortsvektoren von sind.
Statt den Faktor vorzugeben, kann man auch den Bildpunkt eines Punktes vorgeben. Wie man dann mit Hilfe der Strahlensätze die Bilder weiterer Punkte konstruiert, wird im Abschnitt Konstruktionen erklärt.
Für ergibt sich die identische Abbildung (Identität), für eine Punktspiegelung. Der Fall ist nicht erlaubt, da sonst alle Punkte denselben Bildpunkt hätten, nämlich das Zentrum.
Die Streckung am Nullpunkt hat die einfache Form:
In Koordinaten und in der Ebene:
Die zum Streckfaktor gehörige zentrische Streckung ist bei gleichem Zentrum die zu gehörige Umkehrabbildung.
Für eine zentrische Streckung gilt
Denn, nimmt man an, dass das Zentrum der Streckung der Nullpunkt ist, so hat sie die einfache Beschreibung . Damit wird eine Gerade mit der Parameterdarstellung auf die Punktmenge mit der Gleichung abgebildet. Dies ist eine Gerade mit dem gleichen Richtungsvektor . d. h. Gerade und Bildgerade sind zueinander parallel.
Sind zwei Punkte, so ist ihr Abstand und der Abstand ihrer Bilder. Damit bleibt das Verhältnis (Quotient) zweier Strecken unverändert, denn beim Dividieren fällt ein gemeinsamer Faktor heraus.
Ist das Zentrum nicht der Nullpunkt, verlaufen die Rechnungen analog, nur etwas umfangreicher.
(In der Ebene kann man die Rechnung auch mit der üblichen Beschreibung einer Gerade mit einer Gleichung und der zentrischen Streckung durchführen.)
Beispiele: Ein Dreieck geht in ein dazu ähnliches Dreieck, ein Kreis in einen Kreis (siehe Ähnlichkeitspunkte) und eine Ellipse in eine dazu ähnliche Ellipse (die Verhältnisse der Halbachsen sind gleich) über.
Herleitung:
Führt man die beiden Punktstreckungen mit den verschiedenen Zentren
hintereinander aus, so ergibt sich für das Bild von bei der Hintereinanderausführung (zuerst und dann ):
Im Fall ist dies eine Parallelverschiebung in Richtung um den Vektor (siehe Bild).
Im Fall ist der Punkt
ein Fixpunkt (wird nicht bewegt) und die Hintereinanderausführung
ist eine zentrische Streckung am Punkt mit dem Streckfaktor . Das neue Zentrum liegt auf der Gerade .
Die Hintereinanderausführung der zentrischen Streckung
Dies ist eine zentrische Streckung mit Zentrum und Streckfaktor .
Solche Kombinationen von zentrischen Streckungen und Translationen treten insbesondere bei der Manipulation von Bildschirminhalten von Smartphones mit den Fingern auf. Und zwar Translationen bei der Manipulation mit 1 und Streckungen bei der Verwendung von 2 Fingern.
In den beiden zuletzt genannten Fällen kann man im Allgemeinen weder von Winkel- noch von Längenverhältnistreue sprechen, da weder ein Winkelmaß noch ein Längenmaß existieren muss. Auch hier gehören die zentrischen Streckungen aber stets zu den Dilatationen und den Affinitäten und für Fixpunkte und Fixgeraden gilt das Gleiche wie im reellen Fall.
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