Matematika Sekolah Dasar dan Menengah · Grades 1–9
42Simetri Sumbu
Lipatlah selembar kertas sepanjang sebuah garis: setiap titik mendarat di titik yang lain, yaitu bayangan cerminnya. Lipatan ini adalah simetri sumbu (atau pencerminan), transformasi geometri yang pertama dalam buku ini — yang kedua, simetri pusat, menyusul pada Bab 52.
42.1 Pencerminan
Definisi 42.1 (Titik bayangan)
Misalkan sebuah garis. Bayangan titik terhadap adalah titik sedemikian sehingga menjadi garis sumbu : ruas garis tegak lurus terhadap , dan memotongnya di titik tengahnya. Titik yang terletak pada adalah bayangannya sendiri.
Metode 42.2 (Melukis titik bayangan)
Untuk melukis bayangan dari titik terhadap garis :
- gambarlah garis tegak lurus terhadap melalui (dengan penggaris siku); sebutlah titik potongnya dengan ;
- ukurlah dengan jangka atau penggaris;
- letakkan pada garis tegak lurus yang sama, di sisi lain , dengan .
Di kertas berpetak caranya lebih cepat: bilanglah petak dari ke sumbunya, lalu bilanglah sebanyak itu juga di sisi yang lain.
Contoh 42.3 (Di kertas berpetak)
Kalau sumbunya garis petak yang tegak dan berada petak di sebelah kirinya, maka berada petak di sebelah kanannya, pada baris yang sama. Untuk sumbu yang miring, pembilangannya berjalan sepanjang diagonal — selalu tegak lurus terhadap sumbunya.
Proposisi 42.4 (Apa yang dipertahankan pencerminan)
Bayangan sebuah gambar terhadap sebuah garis adalah gambar dengan bentuk dan ukuran yang sama: panjang, sudut, keliling dan luas semuanya dipertahankan. Bayangan ruas garis adalah ruas garis, bayangan lingkaran adalah lingkaran dengan jari-jari yang sama, dan bayangan garis adalah garis.
Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎
Catatan 42.5
Satu hal tidak dipertahankan: arah hadapnya. Huruf “b” yang dicerminkan menjadi “d” — tulisan cermin. Kalau menjiplak gambarmu lalu membalik kertas kalkirnya menghasilkan bayangan itu, pencerminanmu benar.
42.2 Sumbu simetri sebuah gambar
Definisi 42.6 (Sumbu simetri)
Sebuah garis disebut sumbu simetri sebuah gambar jika pencerminan terhadap mengirim gambar itu tepat ke dirinya sendiri — melipat sepanjang membuat kedua paruhnya berimpit.
Contoh 42.7
Membilang sumbu simetri:
- segitiga sama kaki: (melalui titik sudut puncak dan tengah alasnya); segitiga sama sisi: ;
- persegi panjang: (kedua “garis tengahnya”, bukan diagonalnya); belah ketupat: (yaitu diagonalnya!); persegi: ;
- lingkaran: setiap garis yang melalui pusatnya — tak hingga banyaknya.
Contoh 42.8 (Simetri membuktikan kesamaan)
Mengapa kedua sudut alas segitiga sama kaki sama besar? Lipatlah segitiga itu sepanjang sumbu simetrinya: paruh kirinya mendarat tepat pada paruh kanannya, jadi sudut alas kiri mendarat pada sudut alas kanan — keduanya pasti berukuran sama (Proposisi 42.4: pencerminan mempertahankan sudut).
42.3 Garis sumbu
Definisi 42.9 (Garis sumbu)
Garis sumbu sebuah ruas garis adalah garis yang tegak lurus terhadap dan melalui titik tengahnya — ia adalah sumbu simetri yang mempertukarkan dan .
Proposisi 42.10 (Berjarak sama)
Sebuah titik terletak pada garis sumbu tepat ketika ia berjarak sama dari dan dari : .
Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎
Metode 42.11 (Lukisan dengan jangka)
Untuk menggambar garis sumbu tanpa mengukur:
- bukalah jangka lebih dari setengah ;
- gambarlah dua busur berpusat di , di atas dan di bawah ruas garisnya;
- dengan bukaan yang sama, gambarlah dua busur berpusat di ;
- hubungkan kedua titik potongnya: garis inilah garis sumbunya (setiap titik potong berjarak sama dari dan ).
42.4 Latihan
Latihan 42.1 ★
Salinlah di kertas berpetak: sumbu tegak , titik dua petak di sebelah kirinya, titik lima petak di sebelah kirinya dan satu petak lebih tinggi. Lukislah titik bayangan dan terhadap .
Solusi
Solusi Latihan 42.1.
berada dua petak di sebelah kanan , pada baris yang sama dengan ; berada lima petak di sebelah kanan, satu petak lebih tinggi — letak yang tercermin.
Latihan 42.2 ★
Gambarlah sebuah garis dan titik berjarak cm dari (bukan di kertas berpetak). Lukislah bayangan dari terhadap dengan penggaris siku dan penggaris, mengikuti Metode 42.2. Berapa jarak antara dan ?
Solusi
Solusi Latihan 42.2.
Garis tegak lurus terhadap melalui , dengan kaki ; lalu di sisi yang lain dengan cm. Jarak adalah cm.
Latihan 42.3 ★
Huruf kapital mana dalam abjad, yang ditulis dalam bentuknya yang paling sederhana, yang punya sumbu simetri tegak (seperti A)? Yang mendatar (seperti B)? Keduanya?
Solusi
Solusi Latihan 42.3.
Sumbu tegak (seperti A): A, H, I, M, O, T, U, V, W, X, Y. Sumbu mendatar (seperti B): B, C, D, E, H, I, K, O, X. Keduanya: H, I, O, X. (Jawaban persisnya sedikit bergantung pada cara hurufnya digambar.)
Latihan 42.4 ★
Berapa sumbu simetri yang dipunyai: segitiga sama sisi? persegi panjang (yang bukan persegi)? belah ketupat (yang bukan persegi)? persegi? lingkaran? Gambarlah setiap bangun beserta sumbunya.
Solusi
Solusi Latihan 42.4.
Segitiga sama sisi: sumbu. Persegi panjang: (garis sumbu sisi-sisinya). Belah ketupat: (yaitu diagonalnya). Persegi: . Lingkaran: tak hingga banyaknya (setiap garis yang melalui pusatnya).
Latihan 42.5 ★
Benar atau salah? “Diagonal sebuah persegi panjang adalah sumbu simetri persegi panjang itu.” Jelaskan dengan alasan lipatan atau dengan gambar.
Solusi
Solusi Latihan 42.5.
Salah. Melipat persegi panjang (yang bukan persegi) sepanjang diagonalnya tidak membuat kedua paruhnya berimpit: kedua segitiganya punya bentuk yang sama tetapi duduk berbeda — cobalah dengan selembar kertas. Hanya pada persegi diagonalnya berlaku sebagai sumbu.
Latihan 42.6 ★
Segitiga dicerminkan terhadap garis menjadi . Diketahui cm, dan keliling adalah cm: sebutkan, tanpa melukis apa pun, , dan keliling .
Solusi
Solusi Latihan 42.6.
Pencerminan mempertahankan panjang, sudut dan keliling (Proposisi 42.4): cm, , keliling cm.
Latihan 42.7 ★
Gambarlah ruas garis sepanjang cm lalu lukislah garis sumbunya dengan jangka (Metode 42.11). Pilihlah sembarang titik padanya lalu periksalah dengan penggaris bahwa .
Solusi
Solusi Latihan 42.7.
Lukisan dengan jangka seperti pada Metode 42.11. Untuk sembarang pada garis itu, penggaris membenarkan (Proposisi 42.10).
Latihan 42.8 ★★
Dua pohon berdiri di titik dan sebuah kebun yang datar. Di mana air mancur dapat ditanam agar berjarak sama dari kedua pohon itu? Jelaskan semua tempat yang mungkin.
Solusi
Solusi Latihan 42.8.
Semua titik yang berjarak sama dari dan membentuk garis sumbu (Proposisi 42.10). Air mancurnya dapat diletakkan di mana pun pada garis itu (selama masih di dalam kebun).
Latihan 42.9 ★★
Di kertas berpetak, gambarlah sumbu (diagonal petak pada ) dan sebuah gambar kecil berbentuk L di salah satu sisinya. Lukislah gambar bayangannya terhadap . (Cerminkan setiap titik sudut: untuk sumbu , titik yang berjarak petak di kanan sumbu mendarat petak di atasnya.)
Solusi
Solusi Latihan 42.9.
Setiap titik sudut dicerminkan tegak lurus terhadap sumbunya: untuk sumbu , titik yang berjarak petak di kanan sumbu mendarat petak di atasnya (dan sebaliknya) — pergeseran mendatar dan tegaknya bertukar. Cerminkan titik sudutnya satu per satu, lalu hubungkan berurutan.
Latihan 42.10 ★★
Gambarlah lingkaran berpusat , garis yang melalui , dan titik pada lingkaran. Di mana bayangan terhadap ? Jelaskan mengapa pencerminan itu mengirim lingkarannya ke dirinya sendiri.
Solusi
Solusi Latihan 42.10.
Bayangan adalah titik potong kedua lingkaran itu dengan garis tegak lurus terhadap melalui — ia terletak pada lingkaran. Alasannya: pencerminan mempertahankan jarak dan membiarkan (yang terletak pada ) tetap di tempatnya, jadi bayangan setiap titik yang berjarak dari tetap berjarak dari : lingkarannya terpetakan ke dirinya sendiri.
Latihan 42.11 ★★
Dengan memakai sifat berjarak sama (Proposisi 42.10), jelaskan mengapa kedua titik potong busur pada Metode 42.11 benar-benar terletak pada garis sumbu .
Solusi
Solusi Latihan 42.11.
Setiap titik potong digambar dengan bukaan jangka yang sama dari dan dari : jadi . Menurut Proposisi 42.10, titik yang berjarak sama dari dan terletak pada garis sumbu ; dua titik semacam itu menentukan garisnya.
Latihan 42.12 ★★★
Sebuah bola bilyar di titik harus memantul pada dinding lurus lalu mencapai titik (keduanya di sisi dinding yang sama). Cerminkan terhadap menjadi , lalu gambarlah ruas garis . Jelaskan mengapa titik pantul yang terbaik adalah tempat memotong dindingnya. (Gagasannya: jalur sama panjang dengan .)
Solusi
Solusi Latihan 42.12.
Untuk sembarang titik pantul pada dinding, (pencerminan terhadap mempertahankan jarak), jadi panjang jalurnya . Garis patah paling pendek ketika ia lurus, yaitu ketika terletak pada ruas garis . Jadi titik pantul terbaik adalah perpotongan dengan dindingnya.
42.5 Soal: Air mancur, piring yang pecah, dan cermin yang berjalan
Soal 42.1
Soal akhir pekan — ketiga garis sumbu sebuah segitiga bertemu di satu titik: lingkaran melalui tiga titik, dan apa yang dikerjakan dua cermin bersama-sama
Pada Latihan 42.8 sebuah air mancur harus berdiri berjarak sama dari dua pohon, dan jawabannya adalah satu garis penuh berisi tempat. Soal ini menanam pohon yang ketiga — dan seluruh garis itu mengerut menjadi satu titik yang tertentu sempurna. Titik itu menyembunyikan harta karun geometri: ia memungkinkanmu menggambar satu-satunya lingkaran yang melalui tiga titik yang diberikan, membangun kembali seluruh piring dari sekeping pecahan, dan ia dimiliki setiap segitiga. Bagian terakhirnya melakukan percobaan dengan dua cermin yang hasilnya mengumumkan geometri tahun depan.
Bagian I — Dua pohon, lalu peta wilayah.
- Gambarlah dua titik dan dengan cm lalu lukislah garis sumbu dengan jangka (Metode 42.11). Pilihlah sebuah titik padanya lalu periksalah dengan penggaris bahwa .
- Proposisi 42.10 mengatakan dua hal sekaligus: setiap titik pada garis sumbunya berjarak sama dari dan , dan setiap titik yang berjarak sama terletak pada garis sumbu itu. Yang mana di antara keduanya yang menjawab pertanyaan air mancur pada Latihan 42.8? Apa yang dikatakan proposisi itu tentang titik yang tidak pada garis sumbunya?
- Ambillah titik di sisi garis sumbu yang sama dengan . Ruas garis memotong garis sumbu itu di titik . Bandingkan jalur dengan jalur , lalu jelaskan mengapa lebih dekat ke daripada ke : garis sumbunya membelah kertas menjadi “sisi ” dan “sisi ”.
- Dua sekolah dan melayani sebuah kota. Setiap anak berjalan ke sekolah yang lebih dekat. Gambarlah peta kecil dengan dan , lalu warnailah daerah kota yang tepat dilayani sekolah . Garis apa yang menjadi batasnya?
- Sekolah ketiga dibuka (letakkan agar ketiga sekolahnya membentuk segitiga). Lukislah garis sumbu dan garis sumbu , lalu sebutlah titik potongnya. Dua kesamaan jarak apa yang dipenuhi , dan mengapa?
Bagian II — Tiga pohon, satu titik, satu lingkaran.
- Simpulkan dari pertanyaan 5 bahwa — dan karena itu juga terletak pada garis sumbu , yang tidak pernah kamu gambar. Simpulkan: ketiga garis sumbu sisi sebuah segitiga semuanya melalui satu titik.
- Jelaskan mengapa lingkaran berpusat dengan jari-jari juga melalui dan melalui : itulah satu-satunya lingkaran yang melalui ketiga titik itu — lingkaran luar segitiga .
- Lukislah segitiga dengan sisi cm, cm dan cm (Metode 41.2), lalu lingkaran luarnya. Mengapa cukup menggambar dua garis sumbu saja untuk menemukan pusatnya?
- Piring yang pecah: seorang arkeolog menggali sekeping pecahan yang bagian utuhnya hanya sepotong tepi lingkaran piring itu. Jelaskan resep yang memulihkan pusat dan jari-jari piring aslinya — lalu ujilah: gambarlah busur lingkaran dengan jangkamu, “lupakan” pusatnya, tandailah tiga titik pada busurnya, lalu bangunlah kembali.
- Mungkinkah tiga titik sama sekali tidak punya lingkaran yang melaluinya? Andaikan , , segaris. Apa yang dapat dikatakan tentang garis sumbu dan garis sumbu (Proposisi 40.3)? Simpulkan.
Bagian III — Sumbu di mana-mana, dan cermin yang berjalan.
- Contoh 42.7 membilang sumbu untuk segitiga sama sisi dan untuk persegi. Terkalah hitungannya untuk segi lima beraturan dan segi enam beraturan, lalu jelaskan di mana sumbunya lewat pada tiap keadaan (banyak sisi yang ganjil melawan yang genap: kedua keadaannya berbeda).
- Lipatlah selembar kertas sekali lalu guntinglah sebuah bentuk menembus kedua lapisannya; bukalah lipatannya. Mengapa lubangnya selalu punya sumbu simetri, apa pun yang kamu gunting, dan garis mana yang menjadi sumbunya?
- Lipatlah kertasnya dua kali — lipatan kedua tegak lurus terhadap yang pertama — guntinglah, lalu bukalah. Berapa sumbu simetri yang paling sedikit dipunyai lubangnya, dan berapa salinan guntinganmu yang kamu lihat? (Kepingan salju kertas adalah gagasan ini yang dilipat lebih jauh.)
- Cermin yang berjalan: di kertas berpetak, gambarlah sumbu tegak , sebuah bendera kecil di sebelah kirinya, dan sumbu tegak kedua , petak di sebelah kanan . Cerminkan terhadap (bayangannya ), lalu cerminkan terhadap (bayangannya ). Bandingkan dan : arah hadapnya sama atau tercermin? Berapa petak gambarnya berpindah? Bandingkan dengan jarak antara kedua sumbunya.
- Percobaan yang sama dengan tegak lurus terhadap : cerminkan benderanya terhadap sumbu tegak, lalu bayangannya terhadap sumbu mendatar. Jelaskan letak terhadap dan terhadap titik potong kedua sumbunya. (Kamu baru saja menemukan transformasi tahun depan: Bab 52.)
Solusi
Solusi Soal 42.1.
1. Lukisannya seperti pada Metode 42.11; untuk sembarang pada garis itu, penggaris membenarkan (Proposisi 42.10).
2. Pertanyaan air mancurnya memerlukan arah yang kedua: semua titik yang berjarak sama terletak pada garis sumbunya, jadi tempat yang mungkin tepatnya garis itu dan tidak ada yang lain. Dan titik yang tidak pada garis sumbunya karena itu tidak berjarak sama: ia jelas lebih dekat ke salah satu pohonnya.
3. Kedua jalurnya berbagi ruas , dan karena terletak pada garis sumbunya. Jadi jalur sama panjang dengan jalur , yaitu . Sekarang adalah rute lurus ke — di sini ia memang jalur lewat , jadi ; dan rute lurus ke lebih pendek daripada memutar lewat : . Setiap titik di sisi dari garis sumbunya lebih dekat ke .
4. Batasnya adalah garis sumbu : sekolah tepat melayani paruh kota di sisinya sendiri terhadap garis itu (pertanyaan 3), sekolah paruh yang lain, dan anak yang tinggal tepat pada garisnya boleh memilih salah satu.
5. terletak pada garis sumbu , jadi ; dan pada garis sumbu , jadi (Proposisi 42.10).
6. Dari dan : . Menurut arah kedua Proposisi 42.10, titik yang berjarak sama dari dan terletak pada garis sumbu : garis sumbu ketiga melalui tanpa diminta. Ketiga garis sumbu sisi segitiga mana pun berpotongan di satu titik.
7. Lingkaran berpusat dengan jari-jari terdiri atas semua titik yang berjarak dari (Definisi 40.5); karena dan , titik dan terletak padanya. Satu pusat, satu jari-jari, tiga titik terlayani: itulah lingkaran yang melalui , dan .
8. Dua garis sumbu sudah cukup karena yang ketiga otomatis (pertanyaan 6): titik potong keduanya sudah memenuhi ketiga kesamaan jarak itu. Lingkarannya digambar dengan pusat dan jangka yang dibuka dari ke salah satu titik sudutnya.
9. Resepnya: tandailah tiga titik , , pada busur yang selamat; gambarlah garis sumbu tali busur dan ; titik potongnya adalah pusat piring itu, dan jaraknya ke adalah jari-jarinya. Cara ini berhasil karena tepi piringnya adalah lingkaran yang melalui ketiga titik yang ditandai — dan pertanyaan 8 mencari satu-satunya lingkaran yang melalui ketiganya. Busur ujinya terbangun kembali dengan tepat.
10. Kalau , , segaris, garis sumbu dan garis sumbu sama-sama tegak lurus terhadap garis yang sama — jadi keduanya sejajar satu sama lain (Proposisi 40.3) dan, karena berbeda, tidak pernah berpotongan. Tidak ada titik yang berjarak sama dari ketiganya, dan tidak ada lingkaran yang melalui tiga titik yang segaris.
11. Segi lima beraturan: sumbu, masing-masing melalui satu titik sudut dan titik tengah sisi di hadapannya (banyaknya ganjil: setiap sumbunya sejenis). Segi enam beraturan: sumbu — tiga melalui titik sudut yang berhadapan dan tiga melalui titik tengah sisi yang berhadapan (banyaknya genap: dua jenis, separuh-separuh). Polanya: segi banyak beraturan dengan sisi punya sumbu.
12. Guntingannya menembus kedua lapisan sekaligus, jadi kedua lapisannya kehilangan potongan yang persis sepadan; membuka lipatannya adalah pencerminan terhadap garis lipatnya, yang mengirim tepi tiap lapisan ke tepi lapisan yang lain. Lubangnya adalah bayangan cerminnya sendiri: garis lipatnya adalah sumbu simetrinya — apa pun yang digunting.
13. Lubang yang sudah dibuka punya sedikitnya sumbu simetri, yaitu kedua garis lipatnya, dan guntingannya muncul dalam salinan (setiap kali dibuka gambarnya berlipat dua: ). Melipat lebih banyak kali dengan gaya kepingan salju melipatgandakan salinan dan sumbunya lebih jauh lagi.
14. punya arah hadap yang sama dengan (dua pembalikan cermin saling meniadakan), ukuran yang sama dan ketinggian yang sama — ia sekadar yang digeser ke kanan. Pergeserannya berukuran petak: tepat dua kali jarak antara kedua sumbunya. Dua cermin yang sejajar bersama-sama sama sekali tidak mencerminkan: keduanya menggeser.
15. lagi-lagi berukuran sama, tetapi kini ia tampak terbalik, karena terputar setengah putaran terhadap titik potong kedua sumbunya: setiap titik berseberangan diametral dengan titik yang bersesuaian melalui pusat itu. Dua cermin yang tegak lurus menyusun setengah putaran — yaitu simetri pusat pada Bab 52.