坐标旋转.PNG
如图,坐标(x,y)绕点(p,q)逆时针旋转θ角后得到坐标(x',y'),求x',y'关于x,y的表达式。

之前我们已经讨论过这个问题,在《函数图像旋转公式》一文中,利用解析几何的方法进行了分析。那篇文章是在2月份完成的,那时还没有系统地学习向量和复数的相关知识,现在,BoJone从向量和复数两个角度,给出关于旋转公式的两个证明,仅供参考,如有错误,请指出。

为了把问题化简,我们先做以下平移:
坐标旋转-平移.PNG

这样我们只需讨论旋转中心位于原点的问题。首先我们利用向量来求解。旋转前后的两个点分别用向量表示为$\vec{A}=(x-p,y-q,0),\vec{B}=(x'-p,y'-q,0),|\vec{A}|=|\vec{B}|=R$,那么有$\vec{A}\times\vec{B}=(0,0,(x-p)(y'-q)-(x'-p)(y-q))$,并且
$\vec{A}*\vec{B}=R^2 cos\theta=(x-p)(x'-p)+(y-q)(y'-q)$————(1)
$|\vec{A}\times\vec{B}|=|R^2 sin\theta|=|(x-p)(y'-q)-(x'-p)(y-q)|$————(2)

考虑$0 < \theta <\pi$的情况:
$(1)\times (y-q)+(2)\times (x-p)$得到
$(y'-q)[(y-q)^2+(x-p)^2]=R^2[(y-q)cos\theta+(x-p)sin\theta]$
$y'-q=(y-q)cos\theta+(x-p)sin\theta$————(3)
$(1)\times (x-p)+(2)\times (y-q)$得到
$(x'-p)[(y-q)^2+(x-p)^2]=R^2[(x-p)cos\theta-(y-q)sin\theta]$
$x'-p=(x-p)cos\theta-(y-q)sin\theta$————(4)

(3)和(4)就是坐标旋转公式。在$\pi < \theta <2\pi$时形式一样。

接下来使用复数解答。我们知道,复数可以用复平面表示,并且两个复数相乘,结果也是复数,其模等于乘数模的积,辐角等于乘数辐角的和。于是我们不妨用$z_1=(x-p)+(y-q)i$来表示旋转前的点,用$z_2=(x'-p)+(y'-q)i$表示旋转后的点。很明显,z2是由z1乘上一个模等于1、辐角为θ的复数,不难得出,这个复数就是$cos\theta+i*sin\theta$。也就是说

$[(x-p)+(y-q)i]*[cos\theta+(sin\theta)i]=(x'-p)+(y'-q)i$
$[(x-p)cos\theta-(y-q)sin\theta]+[(y-q)cos\theta+(x-p)sin\theta]i$
$=(x'-p)+(y'-q)i$

根据复数相等的条件就有
$y'-q=(y-q)cos\theta+(x-p)sin\theta$
$x'-p=(x-p)cos\theta-(y-q)sin\theta$

利用复数解答几何问题很重要的一点就是应用复数相等的条件是“实数部分=实数部分,虚数部分=虚数部分”。这样有时可以把问题回归到实数的范畴内,进而利用已知的知识解答。要想把复数更好地应用于几何,还要熟悉复平面的应用,关键是理解复数相关运算的几何意义。

坐标旋转-极坐标.PNG

最后看一个利用极坐标的推导,由上图可以看出
$x-p=r cos f,y-q=r sin f,r=\sqrt{(x-p)^2+(y-q)^2}$
并且有
$x'-p= r cos (f+\theta)=r cos f cos\theta-r sin f sin\theta=(x-p)cos\theta-(y-q)sin\theta$
$y'-q= r sin (f+\theta)=r sin f cos\theta + r cos f sin\theta=(y-q)cos\theta+(x-p)sin\theta$

证毕。


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