几种常见的平面变换 (1)
【步步高】高考数学理江苏大二轮总复习练习：专题八 第2讲矩阵与变换(含答案解析)
第2讲 矩阵与变换1.(2016·江苏)已知矩阵A ＝⎣⎡⎦⎤10 2－2，矩阵B 的逆矩阵B －1＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤1 －120 2，求矩阵AB . 解 B ＝(B －1)－1＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤22 12202 12＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 140 12. ∴AB ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 20 －2⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 140 12＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤1 540 －1. 2.(2015·江苏)已知x ，y ∈R ，向量α＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1－1是矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 1y 0的属于特征值－2的一个特征向量，求矩阵A 以及它的另一个特征值. 解 由已知，得Aα＝－2α， 即⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 1y0⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x －1 y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－2 2， 则⎩⎪⎨⎪⎧ x －1＝－2，y ＝2，即⎩⎪⎨⎪⎧x ＝－1，y ＝2， 所以矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－1 1 20.从而矩阵A 的特征多项式f (λ)＝(λ＋2)(λ－1)， 所以矩阵A 的另一个特征值为1.3.(2015·福建)已知矩阵A ＝⎣⎡⎦⎤2 14 3，B ＝⎣⎡⎦⎤1 10 －1. (1)求A 的逆矩阵A －1；(2)求矩阵C ，使得AC ＝B . 解 (1)因为|A |＝2×3－1×4＝2，所以A－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤32 －12－42 22＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤32 －12－2 1. (2)由AC ＝B 得(A －1A )C ＝A －1B ，故C ＝A －1B ＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤32－12－2 1⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 10 －1 ＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤322－2 －3.本讲从内容上看，主要考查二阶矩阵的基本运算，考查矩阵的逆运算及利用系数矩阵的逆矩阵求点的坐标或曲线方程等，一般以基础题目为主，难度不大.又经常与其他知识结合，在考查基础知识的同时，考查转化与化归等数学思想，以及分析问题、解决问题的能力.热点一 常见矩阵变换的应用 1.矩阵乘法的定义一般地，我们规定行矩阵[a 11，a 12]与列矩阵⎣⎢⎡⎦⎥⎤b 11b 21的乘法规则为[a 11，a 12]⎣⎢⎡⎦⎥⎤b 11b 21＝[a 11b 11＋a 12b 21]，二阶矩阵⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd 与列矩阵⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y 的乘法规则为⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b c d ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ax ＋by cx ＋dy . 说明：矩阵乘法MN 的几何意义为对向量的连续实施的两次几何变换(先T N 后T M )的复合变换.一般地，对于平面上的任意一个点(向量)(x ，y )，若按照对应法则T ，总能对应唯一的一个平面点(向量)(x ′，y ′)，则称T 为一个变换，简记为T ：(x ，y )→(x ′，y ′)或T ：⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y →⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′.2.几种常见的平面变换(1)恒等变换；(2)伸缩变换；(3)反射变换；(4)旋转变换；(5)投影变换；(6)切变变换. 例1 已知曲线C ：xy ＝1.(1)将曲线C 绕坐标原点逆时针旋转45°后，求得到的曲线C ′的方程； (2)求曲线C 的焦点坐标和渐近线方程.解 (1)设P (x 0，y 0)是曲线C ：xy ＝1上的任一点， 点P (x 0，y 0)在旋转变换后对应的点为P ′(0x '，0y ')，则⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0′y 0′＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤cos 45° －sin 45°sin 45° cos 45°⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤22 －2222 22⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤22x 0－22y 022x 0＋22y 0.∴⎩⎨⎧ 0x '＝22x 0－22y 0，0y '＝22x 0＋22y 0，∴⎩⎨⎧x 0＝22(0x '＋0y ')，y 0＝22(0y '－0x ').又x 0y 0＝1，∴22(y ′0＋x ′0)×22(y ′0－x ′0)＝1. ∴y ′20 －x ′20 ＝2，即曲线C ：xy ＝1旋转后所得到的曲线C ′的方程为y 2－x 2＝2.(2)曲线C ′的焦点坐标为F 1(0，－2)，F 2(0,2)，渐近线方程为y ＝±x .再顺时针旋转45°后，即可得到曲线C 的焦点坐标为(－2，－2)和(2，2)；渐近线方程为x ＝0，y ＝0.思维升华 把握常见矩阵变换类型，比用一般矩阵运算处理要方便得多，同时，从前后曲线性质分析上，可以加深对曲线性质的理解. 跟踪演练1 已知直线l ：ax ＋y ＝1在矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 20 1对应的变换作用下变为直线l ′：x ＋by ＝1.(1)求实数a ，b 的值；(2)若点P (x 0，y 0)在直线l 上，且A ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0，求点P 的坐标. 解 (1)设直线l ：ax ＋y ＝1上任意点M (x ，y )在矩阵A 对应的变换作用下的像是M ′(x ′，y ′).由⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1201⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ＋2y y ，得⎩⎪⎨⎪⎧x ′＝x ＋2y ，y ′＝y . 又点M ′(x ′，y ′)在l ′上，所以x ′＋by ′＝1，即x ＋(b ＋2)y ＝1，依题意得⎩⎪⎨⎪⎧a ＝1，b ＋2＝1，解得⎩⎪⎨⎪⎧a ＝1，b ＝－1.(2)由A ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0，得⎩⎪⎨⎪⎧x 0＝x 0＋2y 0，y 0＝y 0，解得y 0＝0. 又点P (x 0，y 0)在直线l 上，所以x 0＝1.故点P 的坐标为(1,0). 热点二 二阶矩阵的逆矩阵 矩阵的逆矩阵 (1)逆矩阵的有关概念对于二阶矩阵A ，B ，若有AB ＝BA ＝E ，则称A 是可逆的，B 称为A 的逆矩阵.若二阶矩阵A 存在逆矩阵B ，则逆矩阵是唯一的，通常记A 的逆矩阵为A －1，A －1＝B .(2)逆矩阵的求法一般地，对于二阶可逆矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd (ad －bc ≠0)，它的逆矩阵为A －1＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤d ad －bc －b ad －bc －c ad －bc a ad －bc .(3)逆矩阵的简单性质①若二阶矩阵A ，B 均存在逆矩阵，则AB 也存在逆矩阵，且(AB )－1＝B －1A －1.②已知A ，B ，C 为二阶矩阵，且AB ＝AC ，若矩阵A 存在逆矩阵，则B ＝C . (4)逆矩阵与二元一次方程组对于二元一次方程组⎩⎪⎨⎪⎧ax ＋by ＝m ，cx ＋dy ＝n (ad －bc ≠0)，若将X ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y 看成是原先的向量，而将B＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤m n 看成是经过系数矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ab cd (ad －bc ≠0)对应变换作用后得到的向量，则可记为矩阵方程AX ＝B ，⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤m n ，则X ＝A －1B ，其中A －1＝⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤d ad －bc－b ad －bc－cad －bca ad －bc . 例2 设矩阵M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a 00b (其中a >0，b >0).(1)若a ＝2，b ＝3，求矩阵M 的逆矩阵M －1；(2)若曲线C ：x 2＋y 2＝1在矩阵M 所对应的线性变换作用下得到曲线C ′：x 24＋y 2＝1，求a ，b 的值.解 (1)设矩阵M 的逆矩阵M －1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 1 y 1x 2 y 2， 则MM －1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 001.又M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2 003，所以⎣⎢⎡⎦⎥⎤2 00 3⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 1 y 1x 2 y 2＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 001.所以2x 1＝1,2y 1＝0,3x 2＝0,3y 2＝1，即x 1＝12，y 1＝0，x 2＝0，y 2＝13，故所求的逆矩阵M－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤12 00 13.(2)设曲线C 上任意一点P (x ，y )，它在矩阵M 所对应的线性变换作用下得到点P ′(x ′，y ′)，则⎣⎢⎡⎦⎥⎤a 00b ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′，即⎩⎪⎨⎪⎧ax ＝x ′，by ＝y ′. 又点P ′(x ′，y ′)在曲线C ′上，所以x ′24＋y ′2＝1.则a 2x 24＋b 2y 2＝1为曲线C 的方程.又已知曲线C 的方程为x 2＋y 2＝1，故⎩⎪⎨⎪⎧ a 2＝4，b 2＝1.又a >0，b >0，所以⎩⎪⎨⎪⎧a ＝2，b ＝1. 思维升华 对于二阶矩阵，若有AB ＝BA ＝E ，则称B 为A 的逆矩阵.因而求一个二阶矩阵的逆矩阵，可用待定系数法求解.跟踪演练2 若圆C ：x 2＋y 2＝1在矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a 00b (a >0，b >0)对应的变换下变成椭圆E ：x 24＋y 23＝1，求矩阵A 的逆矩阵A －1. 解 设点P (x ，y )为圆C ：x 2＋y 2＝1上任意一点，经过矩阵A 变换后对应点为P ′(x ′，y ′)， 则⎣⎢⎡⎦⎥⎤a 00b ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ax by ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′， 所以⎩⎪⎨⎪⎧x ′＝ax ，y ′＝by .因为点P ′(x ′，y ′)在椭圆E ：x 24＋y 23＝1上，所以a 2x 24＋b 2y 23＝1，又圆的方程为x 2＋y 2＝1，故⎩⎨⎧a 24＝1，b23＝1，即⎩⎪⎨⎪⎧a 2＝4，b 2＝3， 又a >0，b >0，所以a ＝2，b ＝ 3.所以A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2 00 3，所以A－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤12 00 33.热点三 求矩阵的特征值与特征向量 二阶矩阵的特征值和特征向量 (1)特征值与特征向量的概念设A 是一个二阶矩阵，如果对于实数λ，存在一个非零向量α，使得Aα＝λα，那么λ称为A 的一个特征值，而α称为A 的一个属于特征值λ的一个特征向量. (2)特征向量的几何意义特征向量的方向经过变换矩阵A 的作用后，保持在同一条直线上，这时特征向量或者方向不变(λ>0)，或者方向相反(λ<0)，特别地，当λ＝0时，特征向量就被变成了零向量. (3)特征多项式 设λ是二阶矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd 的一个特征值，它的一个特征向量为α＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ，则A ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝λ⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ，即⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y 满足二元一次方程组⎩⎪⎨⎪⎧ax ＋by ＝λx ，cx ＋dy ＝λy ，故⎩⎪⎨⎪⎧(λ－a )x －by ＝0，－cx ＋(λ－d )y ＝0.(*) 由特征向量的定义知α≠0，因此x ，y 不全为0，此时D x ＝0，D y ＝0，因此，若要上述二元一次方程组有不全为0的解，则必须有D ＝0，即⎪⎪⎪⎪⎪⎪λ－a －b －c λ－d ＝0.定义：设A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ab cd 是一个二阶矩阵，λ∈R ，我们把行列式f (λ)＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪λ－a －b －c λ－d ＝λ2－(a ＋d )λ＋ad －bc . 称为A 的特征多项式. (4)求矩阵的特征值与特征向量如果λ是二阶矩阵A 的特征值，则λ一定是二阶矩阵A 的特征多项式的一个根，它满足f (λ)＝0.此时，将λ代入二元一次方程组(*)，就可以得到一组非零解⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0，于是，非零向量⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0即为A 的属于λ的一个特征向量.例3 已知矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 －1a 1，其中a ∈R ，若点P (1,1)在矩阵A 的变换下得到点P ′(0，－3).(1)求实数a 的值；(2)求矩阵A 的特征值及特征向量.解 (1)由题意得⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 －1a 1⎣⎢⎡⎦⎥⎤11＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0－3，所以a ＋1＝－3，所以a ＝－4. (2)由(1)知A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 －1－4 1，令f (λ)＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪λ－1 1 4 λ－1＝(λ－1)2－4＝0.解得A 的特征值为λ＝－1或λ＝3.当λ＝－1时，由⎩⎪⎨⎪⎧－2x ＋y ＝04x －2y ＝0得矩阵A 的属于特征值－1的一个特征向量为⎣⎢⎡⎦⎥⎤12；当λ＝3时，由⎩⎪⎨⎪⎧2x ＋y ＝04x ＋2y ＝0得矩阵A 的属于特征值3的一个特征向量为⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1－2. 思维升华 (1)注意特征值与特征向量的求法及特征向量的几何意义：从几何上看，特征向量的方向经过变换矩阵M 的作用后，保持在同一条直线上，这时特征向量或者方向不变(λ>0)，或者方向相反(λ<0).特别地，当λ＝0时，特征向量就被变成了零向量. (2)计算矩阵M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd 的特征向量的步骤如下：①由矩阵M 得到特征多项式f (λ)＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪λ－a －b －c λ－d ；②求特征多项式的根，即求λ2－(a ＋d )λ＋(ad －bc )＝0的根；③将特征多项式的根(特征值)代入特征方程⎩⎪⎨⎪⎧(λ－a )x －by ＝0－cx ＋(λ－d )y ＝0，求解得非零解对应的向量，即是矩阵M 对应的特征向量.跟踪演练3 已知矩阵A 的逆矩阵A －1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2 112.(1)求矩阵A ； (2)求矩阵A－1的特征值以及属于每个特征值的一个特征向量.解 (1)因为矩阵A 是矩阵A －1的逆矩阵，且|A －1|＝2×2－1×1＝3≠0，所以A ＝13⎣⎢⎡⎦⎥⎤2 －1－1 2＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤23 －13－13 23. (2)矩阵A－1的特征多项式为f (λ)＝⎪⎪⎪⎪⎪⎪λ－2 －1－1 λ－2＝λ2－4λ＋3＝(λ－1)(λ－3)，令f (x )＝0，得矩阵A－1的特征值为λ1＝1或λ2＝3，所以ξ1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1－1是矩阵A －1的属于特征值λ1＝1的一个特征向量，ξ2＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤11是矩阵A －1的属于特征值λ2＝3的一个特征向量.1.已知点A 在变换T ：⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y →⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ＋2y y 作用后，再绕原点逆时针旋转90°，得到点B .若点B 的坐标为(－3,4)，求点A 的坐标. 解 变换T 对应的矩阵为⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 201，所以⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 0⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 201＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 2. 设A (a ，b )，由题意得⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 2⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－3 4，即⎩⎪⎨⎪⎧ －b ＝－3，a ＋2b ＝4.所以⎩⎪⎨⎪⎧a ＝－2，b ＝3，即A (－2,3). 2.已知矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1 －3－1 －1，B ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 20 1.(1)求(AB )－1；(2)求直线2x ＋y －5＝0在(AB )－1对应变换作用下的直线方程.解 (1)AB ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1 －3－1 －1⎣⎢⎡⎦⎥⎤1201＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 －1－1 －3， 又|AB |＝－3－1＝－4，∴(AB )－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤34 －14－14 －14.(2)设P (x 0，y 0)是直线2x ＋y －5＝0上任一点，P ′(x ，y )是在变换作用下点P 的像，则有⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝(AB )－1⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 34 －14－14 －14⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0. ∴⎩⎨⎧x ＝34x 0－14y 0，y ＝－14x 0－14y 0.∴⎩⎪⎨⎪⎧x 0＝x －y ，y 0＝－x －3y .代入直线方程2x ＋y －5＝0，得2(x －y )－(x ＋3y )－5＝0，即x －5y －5＝0，即为所求的直线方程.A 组 专题通关1.求将曲线y 2＝x 绕原点逆时针旋转90°后所得的曲线方程. 解 由题意得旋转变换矩阵M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤cos 90° －sin 90°sin 90° cos 90°＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 0，设P (x 0，y 0)为曲线y 2＝x 上任意一点，变换后变为另一点(x ，y )，则⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 0⎣⎢⎡⎦⎥⎤x 0y 0， 即⎩⎪⎨⎪⎧ x ＝－y 0，y ＝x 0，所以⎩⎪⎨⎪⎧y 0＝－x ，x 0＝y .又因为点P 在曲线y 2＝x 上，所以y 20＝x 0， 故(－x )2＝y ，即y ＝x 2为所求的曲线方程.2.在直角坐标系中，已知△ABC 的顶点坐标为A (0,0)，B (1,1)，C (0,2)，求△ABC 在矩阵MN 作用下变换所得到的图形的面积，其中M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤110，N ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 0. 解 由在矩阵线性变换下的几何意义可知，在矩阵N ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0 －11 0作用下，一个图形变换为其绕原点逆时针旋转90°得到的图形；在矩阵M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤0110作用下，一个图形变换为与之关于直线y ＝x 对称的图形.因此，△ABC 在矩阵MN 作用下变换所得到的图形与△ABC 全等，从而其面积等于△ABC 的面积，即为1.3.已知在二阶矩阵M 对应变换的作用下，四边形ABCD 变成四边形A ′B ′C ′D ′，其中A (1,1)，B (－1,1)，C (－1，－1)，A ′(3，－3)，B ′(1,1)，D ′(－1，－1). (1)求出矩阵M ；(2)确定点D 及点C ′的坐标. 解 (1)设M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd ，则有⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b c d ⎣⎢⎡⎦⎥⎤11＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 3－3，⎣⎢⎡⎦⎥⎤a b cd ⎣⎢⎡⎦⎥⎤－1 1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤11， 故⎩⎪⎨⎪⎧a ＋b ＝3，c ＋d ＝－3，－a ＋b ＝1，－c ＋d ＝1，解得⎩⎪⎨⎪⎧a ＝1，b ＝2，c ＝－2，d ＝－1，∴M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1 2－2 －1.(2)由⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1 2－2 －1⎣⎢⎡⎦⎥⎤－1－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－3 3，知C ′(－3,3)，由⎣⎢⎡⎦⎥⎤－13 －23 23 13⎣⎢⎡⎦⎥⎤－1－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ 1－1，知D (1，－1).4.已知矩阵M ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2 m n 1的两个特征向量α1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤10，α2＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤01，若β＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤12，求M 2β. 解 设矩阵M 的特征向量α1对应的特征值为λ1，特征向量α2对应的特征值为λ2，则由⎩⎪⎨⎪⎧Mα1＝λ1α1，Mα2＝λ2α2，可解得：m ＝n ＝0，λ1＝2，λ2＝1,又β＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤12＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤10＋2⎣⎢⎡⎦⎥⎤01＝α1＋2α2， 所以M 2β＝M 2(α1＋2α2)＝λ21α1＋2λ22α2＝4⎣⎢⎡⎦⎥⎤10＋2⎣⎢⎡⎦⎥⎤01＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤42. 5.已知矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－1 2 1 x ，B ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 12 －1，向量α＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2y ，x ，y 为实数.若Aα＝Bα，求x ＋y 的值.解 由已知，得Aα＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－1 2 1 x ⎣⎢⎡⎦⎥⎤2y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤－2＋2y 2＋xy ，Bα＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 12 －1⎣⎢⎡⎦⎥⎤2y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2＋y 4－y .因为Aα＝Bα，所以⎣⎢⎡⎦⎥⎤－2＋2y 2＋xy ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤2＋y 4－y .故⎩⎪⎨⎪⎧－2＋2y ＝2＋y ，2＋xy ＝4－y .解得⎩⎪⎨⎪⎧x ＝－12，y ＝4.所以x ＋y ＝72.6.在平面直角坐标系xOy 中，已知点A (0,0)，B (－2,0)，C (－2,1).设k 为非零实数，矩阵M＝⎣⎡⎦⎤k 00 1，N ＝⎣⎡⎦⎤0 11 0，点A 、B 、C 在矩阵MN 对应的变换下得到的点分别为A 1、B 1、C 1，△A 1B 1C 1的面积是△ABC 的面积的2倍，求k 的值.解 由题设得MN ＝⎣⎡⎦⎤k 00 1⎣⎡⎦⎤0 11 0＝⎣⎡⎦⎤0 k 1 0.由⎣⎡⎦⎤0 k 1 0⎣⎡⎦⎤00＝⎣⎡⎦⎤00，⎣⎡⎦⎤0 k 1 0⎣⎡⎦⎤－20＝⎣⎡⎦⎤0－2， ⎣⎡⎦⎤0 k 1 0⎣⎡⎦⎤－21＝⎣⎡⎦⎤k －2， 可知A 1(0,0)，B 1(0，－2)，C 1(k ，－2).计算得△ABC 的面积是1，△A 1B 1C 1的面积是|k |，由题设知|k |＝2×1＝2，所以k 的值为－2或2.B 组 能力提高7.已知曲线C ：x 2＋2xy ＋2y 2＝1，矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 21 0所对应的变换T 把曲线C 变成曲线C 1，求曲线C 1的方程.解 设曲线C 上的任意一点P (x ，y )，P 在矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 21 0对应的变换下得到点Q (x ′，y ′). 则⎣⎢⎡⎦⎥⎤121 0⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′， 即x ＋2y ＝x ′，x ＝y ′，所以x ＝y ′，y ＝x ′－y ′2. 代入x 2＋2xy ＋2y 2＝1，得y ′2＋2y ′·x ′－y ′2＋2(x ′－y ′2)2＝1， 即x ′2＋y ′2＝2，所以曲线C 1的方程为x 2＋y 2＝2.8.设曲线2x 2＋2xy ＋y 2＝1在矩阵A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a 0b 1(a >0)对应的变换作用下得到的曲线为x 2＋y 2＝1. (1)求实数a ，b 的值；(2)求A 2的逆矩阵.解 (1)设曲线2x 2＋2xy ＋y 2＝1上任意点P (x ，y )在矩阵A 对应的变换作用下的象是P ′(x ′，y ′). 由⎣⎢⎡⎦⎥⎤x ′y ′＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤a 0b 1⎣⎢⎡⎦⎥⎤x y ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤ ax bx ＋y ，得⎩⎪⎨⎪⎧x ′＝ax ，y ′＝bx ＋y .又点P ′(x ′，y ′)在x 2＋y 2＝1上，所以x ′2＋y ′2＝1， 即a 2x 2＋(bx ＋y )2＝1，整理得(a 2＋b 2)x 2＋2bxy ＋y 2＝1.依题意得⎩⎪⎨⎪⎧ a 2＋b 2＝2，2b ＝2，解得⎩⎪⎨⎪⎧ a ＝1，b ＝1或⎩⎪⎨⎪⎧a ＝－1，b ＝1. 因为a >0，所以⎩⎪⎨⎪⎧ a ＝1，b ＝1.(2)由(1)知，A ＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 01 1，A 2＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1011⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 01 1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 02 1. 所以|A 2|＝1，(A 2)－1＝⎣⎢⎡⎦⎥⎤1 0－2 1.。
苏教版几种常见的平面变换(反射变换与旋转变换)
当一条直线穿过一个平面图形并 经过反射时，图形会关于这条直 线对称，这种对称称为镜像对称 。
反射变换的性质
01
02
03
对称性
反射变换保持了图形关于 直线对称的性质。
唯一性
对于同一条直线和同一点， 只能有一个反射变换。
可逆性
反射变换是可逆的，即可 以通过反射变换将图形还 原。
反射变换的应用
几何作图
苏教版几种常见的平面变换(反射 变换与旋转变换)
目录
• 反射变换 • 旋转变换 • 平面变换的几何意义 • 平面变换在数学中的应用 • 总结与展望
01 反射变换
反射变换的定义
反射变换
通过平面上的一条直线，把平ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 上的每一个点都变换到该直线的 另一侧同样距离的点，这样的变 换称为反射变换。
镜像对称
平面变换可以帮助我们理解图 形的运动和变化，从而更好地 掌握几何知识。
在解决几何问题时，我们可以 利用平面变换将复杂的问题转 化为简单的问题，提高解题效 率。
04 平面变换在数学中的应用
平面变换在解析几何中的应用
平面变换用于研究平面几何图形的性 质和关系，例如通过反射变换研究图 形的对称性，通过旋转变换研究图形 的旋转对称性。
平面变换在几何学、代数学、物理学、计算机图形学等领域有着广泛的应用，是 解决实际问题的重要工具。
平面变换的未来发展方向
随着科技的不断进步，平面变换的应 用领域将越来越广泛，例如在计算机 视觉、机器人导航、图像处理等领域 的应用将更加深入。
未来，平面变换的研究将更加注重理 论与应用相结合，探索更加高效的算 法和变换方式，以解决更加复杂的问 题。
平面变换在复变函数中的应用
常见的几种平面变换(切变变换)
缩放切变变换可以应用于各种 平面图形，如矩形、圆形、多 边形等。
通过缩放切变变换，可以改变 平面图形的大小和形状，实现 图形的缩放操作。这种变换在 图形处理、计算机视觉、图像 识别等领域有着广泛的应用。
平移切变变换
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
总结词
平移切变变换是平面图 形在平移过程中发生的 变换。
。
图像剪裁
通过切变变换，可以将图像的 一部分进行剪裁，实现图像的
局部显示。
图像扭曲
通过切变变换，可以将图像进 行扭曲，实现图像的扭曲效果
。
在几何建模中的应用
三维模型转换
通过切变变换，可以将三维模型进行转换， 实现三维模型的旋转、平移等操作。
二维图形绘制
通过切变变换，可以绘制各种二维图形，如 直线、圆、椭圆等。
THANKS
感谢观看
详细描述
平移切变变换是指将平 面图形按照一定的方向 和距离进行移动，从而 改变图形位置的变换。 在平移过程中，图形中 的每一点都按照相同的 方向和距离进行变换。
总结词
平移切变变换可以应用 于各种平面图形，如矩 形、三角形、多边形等
。
详细描述
通过平移切变变换，可 以改变平面图形在平面 上的位置，实现图形的 平移操作。这种变换在 图形处理、计算机视觉 、动画制作等领域有着
特效制作
通过切变变换，可以制作各种特效，如爆炸、烟雾等。
动画合成
通过切变变换，可以将多个动画进行合成，实现复杂的动画效果。
05
总结
切变变换的优点和局限性
优点
切变变换能够有效地处理图像的几何失真，提高图像的清晰度和对比度，同时能够保留图像中的重要 特征。
高中数学 2.1.1矩阵的概念教案 苏教版选修4-2
3.设A= , B= , 若A=B , 试求x , y , m , n .
4.下图是各大洋面积统计表.
海洋名
情感、态度与价值观：提供自主探索的空间，通过研究实例，学会从实际出发探究问题，总结过程，得出结论。
教学重点：恒等变换、伸压变换的概念
教学难点：恒等变换、伸压变换的矩阵
教学过程：
一、问题情境:
已知△ABC , A(2 , 0) , B(-1 , 0) , C(0 , 2) , 它们在变换T作用下保持位置不变, 能否用矩阵M来表示这一变换?
思考: 若旋转30°, 结果如何呢? 旋转45°呢?
例2、求△ABC在矩阵M= 作用下变换得到的图形, 并画出示意图, 其中A(0 , 0) , B(2 , ), C(0 , 3) .
例3、已知曲线C : y=lgx , 将它绕原点顺时针旋转90°得到曲线C′, 求C′的方程.
四、课堂小结：
五、课堂练习：练习: 书P337 , 8
六、回顾反思：
七、课外作业：
1. 将图形变换为关于x轴对称的图形的变换矩阵为_____________ .
将图形变换为关于y轴对称的图形的变换矩阵为_____________ .
将图形变换为关于原点对称的图形的变换矩阵为_____________ .
2.求△ABC在矩阵M= 作用下变换得到的图形, 其中A(1 , 1) , B(4 , 2) , C(3 , 0) .
四、课堂小结：
五、课堂练习：P331 , 2 .
【理科附加】专题01 矩阵-2019年高考数学母题题源系列(江苏专版)(原卷版)
【理科附加】专题01 矩阵【母题来源一】【2019年高考江苏】已知矩阵3122⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A . （1）求A 2；（2）求矩阵A 的特征值. 【答案】（1）2=A 115106⎡⎤⎢⎥⎣⎦；（2）121,4λλ==. 【解析】本小题主要考查矩阵的运算、特征值等基础知识，考查运算求解能力．（1）因为3122⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ，所以231312222⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦A =3312311223222122⨯+⨯⨯+⨯⎡⎤⎢⎥⨯+⨯⨯+⨯⎣⎦=115106⎡⎤⎢⎥⎣⎦． （2）矩阵A 的特征多项式为231()5422f λλλλλ--==-+--.令()0f λ=，解得A 的特征值121,4λλ==.【母题来源二】【2018年高考江苏】已知矩阵2312⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ． （1）求A 的逆矩阵1-A ；（2）若点P 在矩阵A 对应的变换作用下得到点(3,1)P '，求点P 的坐标． 【答案】（1）1-A 2312-⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦；（2）(3，–1)． 【解析】本小题主要考查矩阵的运算、线性变换等基础知识，考查运算求解能力．（1）因为2312⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ，det()221310=⨯-⨯=≠A ， 所以A 可逆， 从而1-A 2312-⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦． （2）设P (x ，y )，则233121x y ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦， 所以13311x y -⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎣⎦A ，因此，点P 的坐标为(3，–1)．【母题来源三】【2017年高考江苏】 已知矩阵0110,.1002⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦A B （1）求AB ；（2）若曲线221:182x y C +=在矩阵AB 对应的变换作用下得到另一曲线2C ，求2C 的方程．【答案】（1）0210⎡⎤⎢⎥⎣⎦；（2）228x y +=． 【解析】试题分析：（1）直接由矩阵乘法可得；（2）先根据矩阵乘法可得坐标之间关系，代入原曲线方程可得曲线2C 的方程．试题解析：（1）因为A =0110⎡⎤⎢⎥⎣⎦，B =1002⎡⎤⎢⎥⎣⎦，所以AB =0110⎡⎤⎢⎥⎣⎦1002⎡⎤⎢⎥⎣⎦=0210⎡⎤⎢⎥⎣⎦．（2）设00(,)Q x y 为曲线1C 上的任意一点， 它在矩阵AB 对应的变换作用下变为(,)P x y ，则000210x x y y ⎡⎤⎡⎤=⎡⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎤⎥⎣⎦⎦⎢，即002y x x y =⎧⎨=⎩，所以002x yx y =⎧⎪⎨=⎪⎩． 因为点00(,)Q x y 在曲线1C 上，所以2200188x y +=，从而22188x y +=，即228x y +=．因此曲线1C 在矩阵AB 对应的变换作用下得到曲线2:C 228x y +=．【名师点睛】（1）矩阵乘法注意对应相乘：a b m p am bn ap bq c d n q cm dn cp dq ++⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎣⎦⎣⎦⎣⎦； （2）矩阵变换：a b x x c d y y '⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥'⎣⎦⎣⎦⎣⎦表示点(,)x y 在矩阵a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦变换下变成点(,)x y ''．【命题意图】高考主要考查矩阵的逆，矩阵变换，矩阵运算以及矩阵的特征值与特征向量，考查推理运算能力以及对知识的理解掌握水平. 【命题规律】江苏高考中，主要考查的是如何求二阶矩阵的逆矩阵以及二阶矩阵的特征值和特征向量，矩阵变换下的曲线方程和矩阵的运算，其落脚点是对运算能力的考查. 【方法总结】（一）线性变换、二阶矩阵及其乘法（1）二阶矩阵与列向量的乘法规则：若a b c d ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ，x y ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦B ，则a b x ax by c d y cx dy +⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎣⎦⎣⎦⎣⎦AB .（2）二阶矩阵乘法规则： 若a b c d ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ，m p n q ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦B ，则a b m p am bn ap bq c d n q cm dn cp dq ++⎡⎤⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎢⎥++⎣⎦⎣⎦⎣⎦AB . 矩阵乘法满足结合律：（AB ）C ＝A （BC ）. （3）线性变换的基本性质： ①设向量x y ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦α，则x y ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦λλλα. ②设向量1212,x x y y ⎡⎤⎡⎤==⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦αβ，则1212x x y y +⎡⎤+=⎢⎥+⎣⎦αβ.③矩阵变换注意变化前后对应点：a b x x c d y y '⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥'⎣⎦⎣⎦⎣⎦表示点(,)x y 在矩阵a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦变换下变成点(,)x y ''.④A 是一个二阶矩阵，α，β是平面上任意两个向量，λ是任一实数，则A （λα）＝λAα，A （α＋β）＝Aα＋Aβ.⑤二阶矩阵对应的变换（线性变换）把平面上的直线变成直线（或一点）. （4）几种常见的平面变换 ①当M ＝1001⎡⎤⎢⎥⎣⎦时，对应的变换是恒等变换. ②由矩阵M ＝001k ⎡⎤⎢⎥⎣⎦或M ＝100k ⎡⎤⎢⎥⎣⎦（k >0，且k ≠1）确定的变换称为（垂直）伸压变换. ③反射变换是轴反射变换、中心反射变换的总称. ④当M ＝cos sin sin cos θθθθ-⎡⎤⎢⎥⎣⎦时，对应的变换叫旋转变换，即把平面图形（或点）绕某个定点逆时针旋转角度θ.⑤将一个平面图形投影到某条直线（或某个点）的变换称为投影变换.⑥由矩阵M ＝101k ⎡⎤⎢⎥⎣⎦或M ＝101k ⎡⎤⎢⎥⎣⎦（k ∈R ，k ≠0）确定的变换称为切变变换.（二）逆变换与逆矩阵、矩阵的特征值与特征向量（1）逆变换与逆矩阵①对于二阶矩阵A ，B ，若有AB ＝BA ＝E ，则称A 是可逆的，B 称为A 的逆矩阵.②若二阶矩阵A ，B 均存在逆矩阵，则AB 也存在逆矩阵，且（AB ）－1＝B －1A －1.③逆矩阵求法：1||||(||0)||||其中d b a b ad bc c d c a --⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎢⎥=⇒==-≠⎢⎥-⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦A A A A A A A . （2）特征值与特征向量①设A 是一个二阶矩阵，如果对于实数λ，存在一个非零向量α，使Aα＝λα，那么λ称为A 的一个特征值，而α称为A 的属于特征值λ的一个特征向量.②从几何上看，特征向量经过矩阵A 对应的变换作用后，与原向量保持在同一条直线上，这时特征向量或者方向不变（λ>0），或者方向相反（λ<0）.特别地，当λ＝0时，特征向量就被变换成了零向量.③计算矩阵M ＝a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦的特征向量的步骤如下： i.由矩阵M 得到特征多项式f (λ)＝λa b c λd----；ii.求特征多项式的根，即求λ2－(a ＋d )λ＋(ad －bc )＝0的根； iii.将特征多项式的根(特征值)代入特征方程()0()0λa x by cx λd y --=⎧⎨-+-=⎩，求解得非零解对应的向量，即是矩阵M 对应的特征向量．1．【江苏省徐州市2018−2019学年高三考前模拟检测数学试题】已知,a b ∈R ，向量1a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦α是矩阵130b ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A 的属于特征值2-的一个特征向量，求矩阵1-A .2．【江苏省南通市2019届高三模拟练习卷（四模）数学试题】已知矩阵 1 2 0x -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ， 5 72 3⎡⎤=⎢⎥⎣⎦B ，B 的逆矩阵1-B 满足17 17 7y --⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦AB． （1）求实数,x y 的值；（2）求矩阵A 的特征值．3．【江苏省南通市2019届高三适应性考试数学试题】已知1是矩阵102a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A 的一个特征值，求点(1,2)在矩阵A 对应的变换作用下得到的点的坐标.4．【江苏省苏州市2019届高三高考模拟最后一卷数学试题】变换1T 是逆时针旋转π2的旋转变换，对应的变换矩阵是1M ，变换2T 对应的变换矩阵是21101⎡⎤=⎢⎥⎣⎦M ，求曲线221x y +=的图象依次在12,T T 变换作用下所得曲线的方程.5．【江苏省扬州中学2019届高三4月考试数学试题】已知矩阵1a ⎡=⎢⎣A 11⎤⎥⎦，在平面直角坐标系xOy 中，直线:30l x y ++=在矩阵1-A 对应的变换下得到直线:10l x by '++=，求实数,a b 的值.6．【江苏省南京金陵中学、海安高级中学、南京外国语学校2019届高三第四次模拟考试数学试题】已知直线l ：x ＋y ＝1在矩阵A ＝ 0 1m n ⎡⎤⎢⎥⎣⎦对应的变换作用下变为直线l'：x ﹣y ＝1，求矩阵A ．7．【江苏省七市(南通、泰州、扬州、徐州、淮安、宿迁、连云港)2019届高三第三次调研考试数学试题】已知，，，a b c d ∈R ，矩阵20a b -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A 的逆矩阵111c d -⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ．若曲线C 在矩阵A 对应的变换作用下得到曲线21y x =+，求曲线C 的方程．8．【江苏省苏锡常镇四市2019届高三教学情况调查（二）数学试题】已知矩阵A ＝210a ⎡⎤⎢⎥⎣⎦，其逆矩阵1-A ＝01b c ⎡⎤⎢⎥⎣⎦，求2A ．9．【江苏省南通市2019届高三下学期4月阶段测试数学试题】已知矩阵123a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A 的一个特征值是1-，求矩阵A 的另一个特征值λ，及属于λ的一个特征向量.10．【江苏省2019届高三第二学期联合调研测试试题】已知直线1C ：1x y +=，对它先作矩阵1002⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A 对应的变换，再作矩阵010m ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦B 对应的变换（其中0m ≠），得到直线2C ：112x y +=，求实数m 的值．11．【江苏省南京市、盐城市2019届高三第二次模拟考试数学试题】已知矩阵23b a ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A ，1101⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦B ，2141⎡⎤=⎢⎥⎣⎦AB .（1）求a ，b 的值； （2）求A 的逆矩阵1-A .12．【江苏省南通市基地学校2019届高三3月联考数学试题】已知二阶矩阵A 有特征值4=-λ，其对应的一个特征向量为14-⎡⎤=⎢⎥⎣⎦e ，并且矩阵A 对应的变换将点（1，2）变换成点（8，4），求矩阵A ．13．【江苏省南通、扬州、泰州、苏北四市七市2019届高三第一次（2月）模拟数学试题】已知矩阵=a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦M ，10=102⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦N ，且()110402-⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎣⎦MN ，求矩阵M ．14．【江苏省扬州市2018−2019学年度第一学期期末检测试题高三数学】已知矩阵A ＝ab ⎡⎢⎣12⎤⎥⎦，满足A 13⎡⎤⎢⎥⎣⎦＝68⎡⎤⎢⎥⎣⎦，求矩阵A 的特征值．15．【江苏省徐州市（苏北三市（徐州、淮安、连云港））2019届高三年级第一次质量检测数学试题】已知矩阵0123⎡⎤=⎢⎥⎣⎦A，1820⎡⎤=⎢⎥⎣⎦B，求1-A B．。
常见的几种平面变换(反射变换与旋转变换)
01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 反 射 变 换 03 旋 转 变 换 04 应 用 场 景 05 总 结 与 展 望
反射变换是指将平面图形沿一条直线进行翻转，使得图形对称于该直线 反射变换可以应用于平面图形的形状、大小和方向等属性的变化 常见的反射变换包括水平、垂直、对角线等方向的反射 反射变换在计算机图形学、几何变换等领域有着广泛的应用
旋转中心：固定点， 也称为旋转中心
旋转角度：绕旋转 中心旋转的角度
旋转方向：顺时针 或逆时针方向
绕点旋转：以一个固定点为中心进行旋转 绕线旋转：以一条固定直线或曲线为中心进行旋转 绕面旋转：以一个固定平面或曲面为中心进行旋转 绕体旋转：以一个固定物体或形状为中心进行旋转
绕原点旋转的矩阵表示
绕任意点旋转的矩Leabharlann 表示绕任意轴旋转的矩阵表示
绕任意直线旋转的矩阵表 示
图像旋转：将 图像按照指定 的角度旋转， 常用于纠正图 像的倾斜角度
图像缩放：调 整图像的大小， 常用于改变图
像的分辨率
图像平移：将 图像在平面上 移动，常用于 调整图像的位
置
图像剪切：从 图像中裁剪出 指定的区域， 常用于选取图 像的特定部分
图像旋转和平 移的组合变换： 将图像旋转后 再进行平移， 常用于对图像 进行复杂的变
镜像反射：将图像沿垂直或水平方向进行对称变换 旋转反射：将图像绕某点旋转一定角度进行对称变换 缩放反射：将图像沿某个方向进行缩放变换 剪切反射：将图像沿某个方向进行剪切变换
反射变换的定义
反射变换的矩阵表示形式
反射变换的几何意义
反射变换的应用
定义：旋转变换是 一种通过绕某一固 定点旋转来改变图 形位置的变换
苏教版高二数学选修4-4 平面坐标系中几种常见变换 学案
4.3 平面坐标系中几种常见变换1．平移变换在平面直角坐标系中，设图形F 上任意一点P 的坐标为(x ，y )，向量a ＝(h ，k )，平移后的对应点为P ′(x ′，y ′)，则有x h x y k y '+=⎧⎨'+=⎩2．伸缩变换一般地，由(0)kx x k y y '⎧>⎨'⎩＝，＝所确定的伸缩变换，是按伸缩系数为k 向着y 轴的伸缩变换(当k ＞1时，表示伸长；当0＜k ＜1时，表示压缩)，即曲线上所有点的纵坐标不变，横坐标变为原来的k 倍(这里，P (x ，y )是变换前的点，P ′(x ′，y ′)是变换后的点)． 预习交流1．由(0)x xk kyy '⎧>⎨'⎩＝，＝所确定的伸缩变换的意义是什么？提示：曲线上所有点的横坐标不变，纵坐标变为原来的k 倍．2．由(0)kx x k ky y '⎧>⎨'⎩＝，＝所确定的伸缩变换的意义是什么？ 提示：曲线上所有点的横坐标、纵坐标都变为原来的k 倍．一、平移变换 (1)把点A (－2,1)按a ＝(3,2)平移，求对应点A ′的坐标(x ′，y ′)．(2)点M (8，－10)按a 平移后的对应点M ′的坐标为(－7,4)，求a .解：(1)由平移公式得231123x y '⎧⎨'⎩＝－＋＝，＝＋＝，，即对应点A ′(1,3)． (2)由平移公式得78410h k ⎧⎨⎩－＝＋，＝－＋，解得1514h k ⎧⎨⎩＝－，＝，即a 的坐标为(－15,14)．将函数y ＝2x 的图象l 按a ＝(0,3)平移到l ′，求l ′的解析式．解：设P (x ，y )为l 上的任意一点，它在l ′上的对应点为P ′(x ′，y ′)，由平移公式得03x x y y '⎧⎨'⎩＝＋，＝＋，∴ 3.x x y y '⎧⎨'⎩＝，＝－ 将它们代入y ＝2x 得y ′－3＝2x ′，∴l ′的解析式为y ＝2x ＋3.正确运用平移变换的公式是解决平移问题的关键．二、伸缩变换在平面直角坐标系中，求下列方程所对应的图形经过伸缩变换23x x y y'⎧⎨'⎩＝，＝后的图形． (1)2x ＋3y ＝0；(2)x 2＋y 2＝1. 解：(1)由伸缩变换23,x x y y '⎧⎨'⎩＝，＝得1',21',3x x y y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩，代入2x ＋3y ＝0得到方程为x ′＋y ′＝0. 所以经过伸缩变换23,x x y y '⎧⎨'⎩＝，＝后，直线2x ＋3y ＝0得到直线x ′＋y ′＝0. (2)将1',21'3x x y y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩代入x 2＋y 2＝1得到方程x ′24＋y ′29＝1，所以经过伸缩变换22x x y y '⎧⎨'⎩＝，＝后，圆x 2＋y 2＝1得到椭圆x ′24＋y ′29＝1.在平面直角坐标系中，椭圆x 24＋y 29＝1经过伸缩变换1',21'3x x y y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩后，得到什么图形？ 解：由1',21'3x x y y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩，得23x x y y '⎧⎨'⎩＝，＝，，代入x 24＋y 29＝1得到x ′2＋y ′2＝1. 所以经过伸缩变换1',21'3x x y y ⎧=⎪⎪⎨⎪=⎪⎩后，椭圆x 24＋y 29＝1变为圆x ′2＋y ′2＝1. 在伸缩变换12k x x k y y '⎧⎨'⎩＝，＝下，直线仍然是直线，而圆可变为椭圆，椭圆也可变为圆．1．点P (3，－2)按a ＝(1，－4)平移后得点P ′的坐标为__________．答案：(4，－6)2．点P (3,1)按a 平移至点Q (1,3)，则a ＝__________.答案：(－2,2)3．点A (1,2)经过伸缩变换23x x y y'⎧⎨'⎩＝，＝后，得点A ′的坐标为__________． 答案：(2,6) 4．点(x ，y )经过伸缩变换1',2'3x x y y⎧=⎪⎨⎪=⎩后的点的坐标是(－2,6)，则x ＝__________，y ＝__________.答案：－4 25．将曲线x 2－9y 2＝27向着x 轴进行伸缩变换，伸缩系数k ＝3.解：伸缩变换为3x x y y '⎧⎨'⎩＝，＝，则',1',3x x y y =⎧⎪⎨=⎪⎩，代入x 2－9y 2＝27，得x ′2－y ′2＝27. 所以经过伸缩变换',3'x x y y =⎧⎨=⎩后，双曲线x 2－9y 2＝27变为双曲线x ′2－y ′2＝27.。
高中数学回归课本校本教材--矩阵
高中数学回归课本校本教材25（一）基础知识 矩 阵1. 矩阵的定义：同一横（竖）排中按原来次序的两个数叫做矩阵的行（列），组成矩阵的每一个数都叫做矩阵的元素，其中，从左上角到右下角的这条对角线称为矩阵的主对角线。
由4个元素a,b,c,d 排成的正方形数表a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦称为二阶矩阵。
2. 二阶行矩与平面向量的乘法定义：规定二阶矩阵A= a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦，与向量x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦的乘积为 a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦x y ⎡⎤⎢⎥⎣⎦=ax+by cx+dy ⎡⎤⎢⎥⎣⎦；①数乘平面向量：设x yα→⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，λ是任意一个实数，则x y λλαλ→⎡⎤=⎢⎥⎣⎦；.②平面向量的加法：设11x y α→⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，22x y β→⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，则1212x x y y αβ→→+⎡⎤+=⎢⎥+⎣⎦③数乘结合律：()A A λαλα→→=；分配律：()A A A αβαβ→→→→+=+； ④二阶行矩乘法a b c d ⎡⎤⎢⎥⎣⎦e f g h ⎡⎤⎢⎥⎣⎦=ae bg af bh ce dg cf dh ++⎡⎤⎢⎥++⎣⎦；⑤复合变换与二阶矩阵的乘法（左乘）：A B BA →→；如：已知△ABC ，A (－1，0)，B (3，0)，C (2，1)，对它先作关于x 轴的反射变换，再将所得图形绕原点逆时针旋转90°．分别求两次变换所对应的矩阵M 1，M 2；求点C 在两次连续的变换作用下所得到的点的坐标． 解M ＝M 2 M 1＝[]0 －11 0[]1 00 －1＝[]0 11 0 ．C 坐标是(1，2)．说明连续两次变换所对应二阶矩阵相乘的顺序M 2M 1． 3.逆变换与逆矩阵：逆变换：设ρ是一个线性变换，如果存在一个线性变换σ，使得σρ＝ρσ＝I ，（I 是恒等变换）则称变换ρ可逆，其中σ是ρ的逆变换。
逆矩阵：设Ａ是一个二阶可逆矩阵，如果存在二阶矩阵Ｂ，使ＡＢ＝ＢＡ＝E ，则称二阶矩阵Ａ是可逆矩阵，称Ｂ是二阶矩阵Ａ的逆矩阵（简称逆阵）记作A -1。
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的变换称为旋转变换，其中点 O 称为旋转中心，角度 称为旋转角.
(2)旋转变换矩阵：当旋转中心为坐标原点 O 且逆时针旋转 角时，旋转变
换的矩阵为
cos sin
θ θ
－sin cos
θθ，像csions
θ θ
－sin cos
θθ这样的矩阵称为旋转变换
矩阵.
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矩阵10 k1(k∈R，k≠0)确定的变换为沿 x 轴方向平移|ky|个单位的切变变换； 而1k 10(k∈R，k≠0).确定的变换为沿 y 轴方向平移|kx|个单位的切变变换，不要 将二者混淆.
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如图 2-2-3(1)、(2)所示，已知正方形 ABCD 在变换 T 作用下变成平行四边形 A B C D ，试求变换 T 对应的矩阵 M.
直线 y＝x 上.
0 0
01对应变换的几何意义在于其将平面上的点沿垂直于 y 轴的方向投影到
y 轴上.
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1 2 (2)－12
－12 1对应变换的几何意义在于其将平面上的点沿垂直于直线 x＋y 2
＝0 的方向投影到直线 x＋y＝0 上.
1 1 2 2 1 1对应变换的几何意义在于其将平面上的点沿垂直于直线 y＝x 的方向 2 2
31－21＝11，10
31－－21＝－－51.
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从而矩形 ABCD 在矩阵10 31作用下变成了平行四边形 A B C D .这里 A (－2， －1)、B (4，1)、C (1，1)、D′(－5，－1)，即原图形上任意一点(x，y)沿 x 轴方 向平移|3y|个单位，而纵坐标不变.如图所示，线段 EF 为该切变变换下的不变线段.
34 页习题 2.2 第 8 题)已知曲线 xy＝1，将它绕坐标原点 顺时针旋转 90°后，会得到什么曲线？曲线方程是什么？
已知椭圆 ：x2＋y12＝1，试求该曲线绕逆时针方向旋转 90°后 4
所得到的曲线，画出示意图.
【命题意图】 本题主要考查旋转变换 ，同时考查了函数方程思想及运算 求解能力.
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旋转变换及其应用 已知曲线 xy＝1，将它绕坐标原点顺时针旋转 90°后会得到什么曲
线？曲线方程是什么？
【精彩点拨】 根据题设条件找到旋转角 ，求出旋转变换矩阵，从而求出 曲线方程，判断曲线类型.
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【自主解答】 将曲线 xy＝1 绕坐标原点顺时针旋转 90°，相当于逆时针旋
22（x
＋y
）＝1.
x2 y2 即 2 － 2 ＝1，
x2 y2 因此曲线 xy＝1，在矩阵的作用下变成曲线 2 － 2 ＝1.
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投影变换及其应用
设一个投影变换把直角坐标系 xOy 内的任意一点沿平行于直线 y＝ x 的方向投影到 x 轴上.试求：
(1)点 A(3，2)在这个投影变换作用下得到的点 A 的坐标； (2)这个投影变换对应的变换矩阵.
2.求解该类问题常用数形结合思想求解.
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(1)矩阵10 00，10 10，11 00，00 01对应的变换的几何意义是什么？
1 2 (2)矩阵－12
－12
1 2
1，1
2 2
1 2 1对应的变换的几何意义是什么？ 2
转 270°，
故旋转变换矩阵为
M＝csions
270° 270°
－sin cos
227700°°＝－01
0
1
，
设 P(x0，y0)为曲线 xy＝1 上任意一点，在矩阵 M 作用下
对应点为 P (x0′，y0′)则xy00′′＝－01 0 1 yx00＝－yx00，
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[质疑· 手记] 预习完成后，请将你的疑问记录，并与“小伙伴们”探讨交流： 疑问 1： _____________________________________________________ 解惑： _______________________________________________________ 疑问 2： _____________________________________________________ 解惑： _______________________________________________________ 疑问 3： ______________________________________________________ 解惑： _______________________________________________________
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若将本例中“旋转 90°”变成“旋转 45°”情况如何？
【解】 由题意得旋转变换矩阵为
2 2
M＝csions
（－45°） （－45°）
－sin cos
（（－－4455°°） ）＝－
2
2 2
2 . 2
2
在曲线 xy＝1 上任取一点 P(x，y)，设其在此旋转变换作用下得到点 P (x ，y
′)，则
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2
2
－
2 2
2
22xy＝xy 2
，即xy′＝＝22－（2x2＋（yx）－，y），所以yx＝＝
2 2 （x 2 2 （x
－y ＋y
）， ）.
将其代入
xy＝1
中得：
22（x
－y
）·
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【解】 (1)10 00对应变换的几何意义在于其将平面上的点沿垂直于 x 轴的
方向投影到 x 轴上.
1 0
10对应变换的几何意义在于其将平面上的点沿平行于直线 x＋y＝0 的方
向投影到 x 轴上.
1 1
00对应变换的几何意义在于其将平面上的点沿垂直于 x 轴的方向投影到
投影到直线 y＝x 上.
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切变变换及其应用
如图 2-2-2 所示，已知矩形 ABCD，试求 在矩阵10 31对应的变换作用下的图形，并指出矩形区 域 ABCD 在变换过程中的不变线段.
【导学号：30650017】
图 2-2-2
【精彩点拨】 由于本变换对应的是线性变换 ，只需研究矩形的端点 的变
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(3)旋转变换的特点： ①旋转变换只改变几何图形的相对位置 ，不会改变几何图形的形状. ②旋转中心在旋转过程中 保持不变. ③图形的旋转由 旋转中心和 旋转的角度所决定. ④绕定点旋转 180°的变换相当于关于定点作中心反射变换.
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2.投影变换 (1)定义：将平面图形投影到某条直线 (或点)的变换，称为投影变换. (2)投影变换矩阵：像10 00，11 00这类将平面内图形投影到 某条直线 (或某个点)上的矩阵，称为投影变换矩阵. (3)投影变换的特点：投影变换是线性变换，是映射，但不是一一映射. 3.切变变换 (1)定义：保持图形的面积大小不变而点间距离和 线间夹角可以改变，且点 沿坐标轴 运动的变换叫做切变变换.
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(2)切变变换矩阵 一般地，在平面直角坐标系 xOy 内，将任一点 P(x，y)沿着 x 轴(或 y 轴)方 向平移|ky|(或 | kx|)个单位变成点 P (x ，y′)，(其中 k 是非零常数)，对应的变换 矩阵10 k1或1k 10(k∈R，k≠0)，称为切变变换矩阵.
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1
【解】 设椭圆与坐标轴的交点分别为 A(－1，0)，B0，－2，C(1，0)，
1 D0，2(如图).
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(3)切变变换的矩阵表示及其几何意义 ①矩阵10 k1(k∈R，k≠0)把平面上的点 P(x，y)沿 x 轴方向平移|ky|个单位： 当 ky＞0 时，沿 x轴正方向 移动；当 ky＜0 时，沿 x轴负方向 移动；当 ky＝0 时，位置不变 .在此变换作用下，x 轴上的点为不动点. ②矩阵1k 10(k∈R，k≠0)把平面上的点 P(x，y)沿 y 轴方向平移|kx|个单位： 当 kx＞0 时，沿y轴正方向 移动；当 kx＜0 时，沿y轴负方向 移动；当 kx＝0 时，位置不变.在此变换作用下，y 轴上的点为不动点.
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2.线性变换对单位正方形表示的区域有哪些作用？
【提示】 (1)恒等变换，关于 x 轴、y 轴的反射变换以及旋转变换，变换前 后正方形区域的形状都未发生改变，只是位置发生了变化.
(2)切变变换把原来的正方形区域 变成了一边不动，另一边平移了的平行四 边形.
(3)投影变换把正方形区域变成了线段.
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所以x0′＝y0， y0′＝－x0，
故 x0′y0′＝－x0y0＝－1. 因此曲线 xy＝1 在矩阵 M 的作用下变成曲线 xy＝－1，如图所示.
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求旋转变换下曲线的方程的关键是搞清旋转方向，找准旋转角，求出旋转 变换矩阵，进而用代入法(相关点法)求出曲线方程.
【导学号：30650016】
【精彩点拨】 根据题设条件画出图形，数形结合求解.
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【自主解答】 (1) 如图所示，点 A(3，2)在这个投影变换作用下得到的点 A 的坐标为(1，0).
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