反演本质上是一种几何变换,常见的几何变换还有平移、旋转、反射……

反演变换适用于题目中存在多个圆/直线之间的相切关系的情况。利用反演变换的性质,在反演空间求解问题,可以大幅简化计算。这篇文章主要介绍反演的定义和一些常用性质


一、定义

设O是平面π上的一个定点,k是一个非零常数,如果平面π的一个变换,使得对于平面π上任意异于点O的点A与其像点A',恒有

(1)A',O,A共线

(2)反演变换

则这个变换称为平面的一个反演变换,记作I(O,k),其中定点O称为反演中心,常数 k 称为反演幂,点A'称为A的反点;

反演中心本身不参与反演变换,反演后,反演中心O仍记为O;

当反演幂k>0时,反演变换I(O,k)称为双曲型反演变换;当k<0时,反演变换I(O,k)称为椭圆型反演变换;

对于反演变换I(O,k),令反演变换,则以反演中心O为圆心,r为半径的圆称为反演变换I(O,k)的反演圆或基圆,r称为反演半径。

就像下面这样

反演变换

(这是反演幂k大于0的情况,k小于0的情况类似)


二、性质

性质1:反演变换可逆

由反演的定义可知,当A'是A的反点时,点A也是A'的反点,所以点A与点A'互为反点


性质2:

(1)位于反演圆上的点,保持在原处;

(2)位于反演圆内的点,变换为反演圆外的点;

(3)位于反演圆外的点,变换为反演圆内的点;

以上是每个点经过反演后的性质,接下来我们讨论直线和圆经过反演后的图形


性质3:

(1)过反演中心的直线反演后为自身(不包含反演中心)

(2)不过反演重心的直线,反演后为过反演中心的圆

反演变换性质

性质4:不过反演中心的圆,反演后仍为一个圆,且与原来的圆关于反演中心位似

反演变换性质

(注意,这里的反演变换的反演点并不是反演变换,这里加虚线的意思仅表示两圆关于点O位似)


性质5:过反演中心的圆,反演后为不过反演中心的一条直线,且该直线平行于原来的圆在反演中心处的切线

然后反演还有一个非常重要的性质


性质6:两条直线或曲线的夹角大小在反演变换下是不变的

当然,如果叙述完整,引入有向角的概念,那么反演后的夹角大小相等,方向相反

这一性质通常也被称为反演的反向保角性。

大家掌握这些基本知识,就可以用反演变换解决平面几何的相关问题了。

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