Movimientos y semejanzas
1. Transformaciones geométricas
Una transformación hace corresponder a cada punto \(P\) del plano otro punto \(P'\), su imagen. Los movimientos (isometrías) conservan la forma y el tamaño: longitudes, ángulos y áreas no cambian. Son la traslación, el giro y la simetría. La semejanza conserva la forma pero cambia el tamaño.
2. Traslaciones
Una traslación de vector \(\vec v=(a,b)\) desplaza todos los puntos la misma distancia y en la misma dirección y sentido:
\[P(x,y)\longmapsto P'(x+a,\ y+b)\]
Ejemplo: la traslación de vector \(\vec v=(3,-2)\) lleva \(A(1,4)\) a \(A'(4,2)\) y \(B(-2,0)\) a \(B'(1,-2)\). Todos los puntos y la figura completa se mueven igual, sin girar.
3. Giros
Un giro de centro \(O\) y ángulo \(\alpha\) hace girar cada punto un ángulo \(\alpha\) alrededor de \(O\) (en sentido contrario a las agujas del reloj si \(\alpha>0\)). Cumple \(OP=OP'\).
Con centro en el origen:
| Giro | \(P(x,y)\longmapsto P'\) |
|---|---|
| \(90^\circ\) | \((-y,\ x)\) |
| \(180^\circ\) | \((-x,\ -y)\) |
| \(270^\circ\) | \((y,\ -x)\) |
Ejemplo: al girar \(P(3,1)\) un ángulo de \(90^\circ\) alrededor del origen resulta \(P'(-1,3)\). El giro de \(180^\circ\) se llama simetría central.
Una figura tiene simetría de rotación si coincide consigo misma al girarla un cierto ángulo. Un cuadrado, con \(90^\circ\); un triángulo equilátero, con \(120^\circ\); una estrella de cinco puntas, con \(72^\circ\).
4. Simetrías axiales
La simetría axial respecto de una recta \(e\) (eje) lleva cada punto \(P\) a \(P'\) de modo que \(e\) es la mediatriz del segmento \(PP'\).
- Respecto del eje \(OX\): \((x,y)\longmapsto(x,-y)\).
- Respecto del eje \(OY\): \((x,y)\longmapsto(-x,y)\).
- Respecto de la recta \(y=x\): \((x,y)\longmapsto(y,x)\).
Ejemplo: el simétrico de \(P(2,5)\) respecto del eje \(OY\) es \(P'(-2,5)\).
Los mosaicos de la Alhambra de Granada y de la Mezquita de Córdoba se construyen repitiendo una pieza mediante traslaciones, giros y simetrías. Sus patrones se clasifican según los movimientos que los dejan invariantes (los 17 grupos de simetría del plano), y los de la Alhambra son un ejemplo clásico para estudiarlos.
5. Teorema de Tales y semejanza
Teorema de Tales: si dos rectas se cortan por rectas paralelas, los segmentos que determinan son proporcionales.
\[\frac{OA}{OA'}=\frac{OB}{OB'}=\frac{AB}{A'B'}\]
Ejemplo: una persona de \(1{,}8\) m proyecta una sombra de \(1{,}2\) m. En ese mismo momento, un árbol de altura \(x\) proyecta una sombra de \(7{,}2\) m: \(\dfrac{x}{1{,}8}=\dfrac{7{,}2}{1{,}2}\Rightarrow x=10{,}8\) m.
Dos figuras son semejantes si tienen los ángulos iguales y los lados proporcionales. La razón entre lados correspondientes es la razón de semejanza \(k\).
- Los ángulos no cambian.
- Las longitudes (lados, perímetros) se multiplican por \(k\).
- Las áreas se multiplican por \(k^2\).
- Los volúmenes se multiplican por \(k^3\).
Ejemplo: dos triángulos semejantes con \(k=3\). Si el pequeño tiene perímetro \(12\) cm y área \(10\) cm², el grande tiene perímetro \(36\) cm y área \(90\) cm².
Criterios de semejanza de triángulos
Dos triángulos son semejantes si:
- Tienen dos ángulos iguales.
- Tienen los tres lados proporcionales.
- Tienen dos lados proporcionales y el ángulo comprendido igual.
Teoremas del cateto y de la altura (ampliación)
Dentro de un triángulo rectángulo con altura sobre la hipotenusa aparecen triángulos semejantes que dan el teorema del cateto (\(a^2=c\cdot m\)) y el teorema de la altura (\(h^2=m\cdot n\)).
6. Escalas
Una escala \(1:E\) es la razón de semejanza entre el dibujo y la realidad. En un plano a escala \(1:200\), un salón de \(3{,}5\) cm por \(2\) cm mide en la realidad \(7\) m por \(4\) m, y su superficie real es \(7\cdot4=28\) m².
Si las longitudes se multiplican por \(k\), las áreas lo hacen por \(k^2\) y los volúmenes por \(k^3\). Una maqueta a escala \(1:50\) tiene \(\frac{1}{2\,500}\) del área y \(\frac{1}{125\,000}\) del volumen.
GeoGebra tiene las herramientas Traslación, Rotación y Reflexión: dibuja un polígono, aplícale cada movimiento y comprueba que longitudes y ángulos no cambian. Con Homotecia puedes comprobar cómo cambian las áreas con la razón de semejanza.
- Movimientos: traslación \((x+a,y+b)\), giro, simetría. No cambian forma ni tamaño.
- Giro de \(90^\circ\): \((x,y)\to(-y,x)\). Simetría respecto de \(OY\): \((x,y)\to(-x,y)\).
- Semejanza de razón \(k\): longitudes \(\times k\), áreas \(\times k^2\), volúmenes \(\times k^3\).
- Tales: paralelas \(\Rightarrow\) segmentos proporcionales.
Debes saber hacer
- Aplicar una traslación, un giro o una simetría a un punto o a una figura y escribir sus coordenadas.
- Reconocer los movimientos y las simetrías en mosaicos y en el arte andalusí.
- Aplicar el teorema de Tales y los criterios de semejanza de triángulos.
- Usar escalas y la razón de semejanza: las longitudes se multiplican por \(k\), las áreas por \(k^2\) y los volúmenes por \(k^3\).
Saberes de la Orden de 30 de mayo de 2023 (BOJA nº 104) que se trabajan en este tema: MAT.3.C.3, MAT.3.C.1.2, MAT.3.C.4.2, MAT.3.F.3.3.