Шарнирный ромб, состоящий из звеньев одинаковой длины и использующий ползуны, передвигающиеся по красному неподвижному стержню, реализует на плоскости осевую симметрию. Действительно, положение одного из зеленых шарниров задает положение и длину противоположной стороны своего треугольника, а треугольники, находящиеся по разные стороны от стержня, всегда равны. Значит, при любом положении механизма два зеленых шарнира симметричны относительно красного стержня.
Возьмем фигуру — криволинейный треугольник — и посмотрим, во что она перейдет под действием нашего механизма. Получится
симметричная фигура. Она, в том числе, равна изначальной, но по-другому ориентирована. То есть, если бы плоскость была бесконечным листом бумаги с нарисованной на нем фигурой, то необходимо было бы сложить лист по оси симметрии, при этом у одной его половинки поменяется верх с низом.
Применим теперь к уже получившемуся треугольнику наш механизм, реализующий симметрию, с осью, параллельной оси первого механизма.
Получившийся треугольник имеет ту же ориентацию, что и самый первый, и получается из него параллельным переносом, т.е. сдвигом. Двойной параллелограмм, с двумя красными закрепленными шарнирами,
реализует это преобразование на плоскости. Итак, результатом двух осевых симметрий с параллельными осями является просто сдвиг. Верно и обратное — любой параллельный перенос можно разложить в две осевые симметрии с параллельными осями. Как нетрудно заметить, такое разложение не единственно.
Такой результат последовательных отображений называется в математике композицией, а в терминологии функций — сложной функцией. Так же, как и в аналитической записи, результат композиции можно получить, либо последовательно выполняя составляющие её действия, либо как-то преобразовав и применив уже в «упрощенном» виде. При этом преобразованный объект внешне может быть совершенно непохож на изначальные, из которых он получался.
А что же будет, если оси симметрий
не параллельны?
Композицией двух осевых симметрий с непараллельными осями является поворот с центром в точке пересечения осей. При этом угол, на который поворачивается фигура, равен удвоенному углу между осями. Как и в случае со сдвигом, верно и обратное — любой поворот на плоскости раскладывается на две осевые симметрии.
Шарнирный механизм, основанный на ромбе,
реализует преобразование поворота плоскости.
А теперь к плоскости (на примере нашей фигуры) применим
последовательно параллельный перенос, а затем поворот. Можно ли каким-то одним преобразованием совместить исходную и конечную фигуры?
Разложим использованный поворот на
две симметрии. Из этой картинки видно, что этап получения серого треугольника и потом применения к нему одной симметрии можно заменить просто на одну симметрию. А такая картинка — композиция двух осевых симметрий с непараллельными осями — нам уже знакома, это есть просто поворот.
Нарисуем треугольник на столе. Положив листок бумаги поверх, обведем фигуру. Поднимем листочек и
отпустим, чтобы он случайным образом опустился на стол, но при этом не перевернулся. Тем самым получено, как говорят математики, «в общем виде» движение плоскости — преобразование, сохраняющее расстояния и не меняющее ориентацию. Конечно, могло так случиться, что фигуры отличаются параллельным переносом, но вероятность, что листочек ляжет так аккуратно, очень мала. Во всех других случаях это —
просто поворот с некоторым центром и на некоторый угол!