图形推理的旋转与镜像:五组原创矩阵图解 | FermatMind 中,斜线依次隔开小板的上、中、下三行,表示1在左上、2在中右、3在下中。把每行按从左到右读出,就能重建各小板
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判断不依赖颜色。
本文的旋转是围绕小板中心,让每个标记转过相同角度;镜像是以穿过小板中心的指定直线为轴,把每个标记映到另一侧,与轴的垂直距离保持不变,轴上的点不动。竖轴镜像交换左右,横轴镜像交换上下。除题目另作说明外,操作对象是小板,不是把整张外层矩阵一起转动。
先追踪两个标记,再拿第三个检验。三个可辨认且不共线的标记,绕一圈的排列次序会在旋转中保留、在镜像中反转;但没有标记的对称形可能让两种操作看起来相同。不能把“镜像一定转不过来”当成适用于所有图的口诀。
图解一:一个标记对上了,为什么仍可能选错?
每一横行都从左到右连续执行两次相同的一步操作。候选操作限定为:顺时针转90°、转180°、竖轴镜像、保持不动。各行起始状态可以不同。用所有完整横向步骤检验候选,再补缺格;本题没有另外规定纵向规则。
c1 c2 c3
r1 1.. | ..1 | .3.
..2 | 3.. | 2..
.3. | .2. | ..1
----+-----+----
c1 c2 c3
r2 .3. | .2. | 1..
2.. | ..3 | ..2
..1 | 1.. | .3.
----+-----+----
c1 c2 c3
r3 .2. | 1.. | ???
..3 | ..2 | ???
1.. | .3. | ???
A B
1.. .3.
..3 2..
.2. ..1
C D
..1 1..
3.. ..2
.2. .3.
文字替代:外层第1行依次是 1../..2/.3.、..1/3../.2.、.3./2../..1;第2行是 .3./2../..1、.2./..3/1..、1../..2/.3.;第3行是 .2./..3/1..、1../..2/.3.、缺格。选项A 1../..3/.2.,B .3./2../..1,C ..1/3../.2.,D 1../..2/.3.。
答案为C。 从第1行左板出发,顺时针转90°,1从左上到右上,2从中右到下中,3从下中到中左,恰好得到中板。再转90°得到右板。第2行从已经转过半圈的状态开始,继续转到四分之三圈,再回到初始状态,两步也都符合。
第3行中板已经回到初始状态,因此下一步应是顺时针90°后的C。A也把2放在下中,但把1放在左上、3放在中右;C要求它们分别在右上和中左,不能只凭2的位置选A。B把最后一块已知板转了180°,角度不对;D没有转动。竖轴镜像这个候选在第1步就被排除:它会让2仍留在中间一行,不能把2送到最下面。
这里的唯一选项建立在题目给定的四个候选操作与已知格子上,不是在证明有限图形能排除所有任意编造的规律。
图解二:先说清镜子放在哪一条轴上
每行采用同一种两步安排,比较两个候选:先竖轴镜像,再横轴镜像,或者连续两次顺时针转90°。轴始终穿过当前小板中心,并与页面的竖直或水平方向一致。先从完整行辨认安排,再选缺格。
c1 c2 c3
r1 1.. | ..1 | .3.
..2 | 2.. | 2..
.3. | .3. | ..1
----+-----+----
c1 c2 c3
r2 ..1 | 1.. | .2.
3.. | ..3 | ..3
.2. | .2. | 1..
----+-----+----
c1 c2 c3
r3 .2. | .2. | ???
..3 | 3.. | ???
1.. | ..1 | ???
A B
.2. .2.
..3 3..
1.. ..1
C D
..1 .3.
3.. ..2
.2. 1..
文字替代:第1行是 1../..2/.3.、..1/2../.3.、.3./2../..1;第2行是 ..1/3../.2.、1../..3/.2.、.2./..3/1..;第3行是 .2./..3/1..、.2./3../..1、缺格。选项A .2./..3/1..,B .2./3../..1,C ..1/3../.2.,D .3./..2/1..。
答案为C。 看第1行第1步:1在最上面左右交换,2在中间左右交换,3位于竖轴上所以不动。若是转90°,2应到下中,与中板冲突。第2步才是上下交换:2留在中间,1和3换到另一行。再检查第2行,两步镜像对另一种起始状态同样成立。
缺格从第3行中板出发,沿横轴上下映射:1从右下到右上,2从上中到下中,3仍在中左,得到C。A又做了一次左右镜像,退回该行左板;B原样照抄中板,漏掉第2步;D把中板顺时针转动,没有按横轴反射。三个标记都在,并不足以说明选项正确。
这两次互相垂直、相交于中心的镜像,最终效果等于转180°。但中间的小板告诉我们,每一步并不是旋转。仅凭这组操作的起点和终点,也分不出先左右还是先上下:这两个垂直轴反射换序后的终点相同。图解五会换一组操作,检验真正会受次序影响的情况。
图解三:移到了右边,不代表方向也正确
现在小板放进一个五列宽的外框。每行从左到右,三列宽的图案范围依次从外框第1列、第2列、第3列开始;与此同时,图案每一步都绕自身中心顺时针转90°。三行高的范围不变。位置与内部方向这两个条件必须同时满足。
c1 c2 c3
r1 1.... | ...1. | ...3.
..2.. | .3... | ..2..
.3... | ..2.. | ....1
------+-------+------
c1 c2 c3
r2 ..1.. | ..3.. | ...2.
3.... | .2... | ....3
.2... | ...1. | ..1..
------+-------+------
c1 c2 c3
r3 .3... | ..2.. | ?????
2.... | ...3. | ?????
..1.. | .1... | ?????
A B
.1... ..1..
...2. ....2
..3.. ...3.
C D
....1 ...2.
..2.. ....3
...3. ..1..
文字替代:第1行是 1..../..2../.3...、...1./.3.../..2..、...3./..2../....1;第2行是 ..1../3..../.2...、..3../.2.../...1.、...2./....3/..1..;第3行是 .3.../2..../..1..、..2../...3./.1...、缺格。选项A .1.../...2./..3..,B ..1../....2/...3.,C ....1/..2../...3.,D ...2./....3/..1..。
答案为B。 先核位置:完整行都把图案范围从左移到中,再移到右。再核内部排列:第2行由初始图案的四分之一圈状态,转到半圈、再到四分之三圈,能够另外验证每步90°,不必只靠第1行。
第3行中板的内部排列已经转了四分之三圈,再转90°会回到初始排列,但这次要放到外框右侧。B中的1在最上行第3列,2在中间行第5列,3在最下行第4列,两个条件都符合。
A内部排列对,却停在外框中部;C位置对,却把内部图案做成了镜像;D只往右移,内部仍停在四分之三圈的状态。比较时固定外框,再单独看内部标记,才不会把“移动”和“转动”混为一件事。
图解四:对称形能补出图,却未必能认定操作
每块板上的两个X完全相同。比较从每行左板到右板的四种操作:不动、转180°、竖轴镜像、顺时针转90°。下列哪一个结论有依据?
c1 c2
r1 ... | ...
X.X | X.X
... | ...
----+----
c1 c2
r2 .X. | ???
... | ???
.X. | ???
文字替代:第1行左右两板都是 .../X.X/...;第2行左板是 .X./.../.X.,右板缺失。结论选项:A,只能是转180°;B,只能是竖轴镜像;C,不动、转180°与竖轴镜像仍无法区分;D,顺时针转90°符合已知一对图。
答案为C。 第1行的水平双点,不动、转180°或沿竖轴镜像,最后看见的都是原来那两个X。对第2行,三个候选也都会预测 .X./.../.X.。A和B都没有依据排除另外两种操作;D在已知行就失败,因为转90°会把水平双点变成竖直双点。
因此,缺格的可见图案可以确定,采用的操作却不能唯一确定。“我知道缺图长什么样”不等于“我证明它一定是镜像”。
如果另编一道更能区分操作的题,可以把左右两点分别命名为1、2,再在中心上方加入标记3。不动时1仍在左;竖轴镜像把1送到右侧,3仍在上方;转180°也把1送到右侧,却把3送到下方。第三个不共线标记区分了后两者。这是在设计新题,不能擅自给原题补上标记,再当作原题已给的证据。
图解五:先转后翻,和先翻后转一样吗?
每行左板用同样的两步操作变成右板,候选限定为:顺时针90°后做竖轴镜像,或竖轴镜像后顺时针90°。旋转中心为小板中心,镜像轴与页面竖直方向保持一致。先用完整两行选出次序,再把它用到第3行全新排列。
c1 c2
r1 1.. | 1..
..2 | ..3
.3. | .2.
----+----
c1 c2
r2 .3. | .2.
2.. | 3..
..1 | ..1
----+----
c1 c2
r3 .12 | ???
... | ???
3.. | ???
A B
..2 21.
..1 ...
3.. ..3
C D
3.. ..3
..1 1..
..2 2..
文字替代:第1行 1../..2/.3. → 1../..3/.2.;第2行 .3./2../..1 → .2./3../..1;第3行 .12/.../3.. → 缺格。选项A ..2/..1/3..,B 21./.../..3,C 3../..1/..2,D ..3/1../2..。
答案为D。 第1行里,先转动会把1从左上送到右上,再做竖轴镜像,1回到左上,符合已知右板。若倒序,1最终会在右下,已经被这块已知板反驳。还要核第2行:2从中左转到上中,再镜像时处在轴上不动,确实仍在上中。
对第3行的新板,先转90°:1从上中到中右,2从右上到右下,3从左下到左上;随后左右映射,分别落在中左、左下、右上,组成D。
A执行了倒序操作,B只镜像、漏掉旋转,C只旋转、漏掉镜像。看见两种操作都出现还不够,次序也必须能解释已知小板。
不靠想象,怎样自己复算?
把三行三列的小板从左上开始编号,行、列都是1到3。顺时针90°把“第r行、第c列”变为“第c行、第4−r列”;竖轴镜像变为“第r行、第4−c列”;横轴镜像变为“第4−r行、第c列”。每个标记各算一次,名字不能换。
例如,原来上中位置是第1行第2列,转动后到第2行第3列;再做竖轴镜像,会到第2行第1列。若倒过来,先镜像时上中点不动,随后旋转会到第2行第3列。两次结果不同,直接核出了图解五的次序差异。
这套格点规则对应CIMT《矩阵与变换》教材第4节中的平面变换。教材常用纵轴向上的笛卡尔坐标;本文行号向下增加,所以套用旋转公式前要转换坐标约定。本文标记板是另行原创的教学材料,不是从教材取来的题目。
换一块板,检查学会的是规则还是答案
先遮住解析,写清旋转中心或镜像轴,预测两个标记的位置,再用第三个检查;同时指出哪一块已知板能验证操作。排除选项时,落到一个具体矛盾的位置,不用“看着不对”代替理由。若多个候选仍成立,就写明暂时不能区分。
现在把图解五的起始板换成 ..3/1../.2.。按“先顺时针90°,再竖轴镜像”,应得到 .1./..2/3..。可以逐个用坐标复算;记住上一题选D,并不能回答这块新板。如果新题改了轴或次序,也必须重新算,不能套用这个结果。
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常见问题
图形推理怎么区分旋转与镜像?
先明确中心或镜像轴,再追踪可辨认的标记。旋转让各点转过相同角度,镜像让点映到轴的另一侧。不要只看一个标记,要用完整已知图检验;对称形可能无法区分操作。
镜像一定不能通过旋转得到吗?
不能一概而论。对称或标记不足的图,可能在不同操作下得到相同可见结果。图解四的缺格能够预测,但操作本身仍不唯一。
要把整张九宫格一起旋转吗?
只有题目支持这种关系时才这样做。本文变换的是每块小板,外层矩阵提供例子与缺格;图解三还要另外核对图案在外框中的位置,不能用整体移动代替内部转动。
旋转和镜像的先后次序有影响吗?
可能有。图解五中,顺时针90°再做竖轴镜像,与倒序操作的结果不同。需要按题目实际给定的中心、轴和已知例子判断,不能假设所有操作都能交换次序。