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Grado en Matemáticas

Isometrías y geometría euclídea

Deslizar, girar y reflejar una figura puede cambiar su posición sin cambiar sus longitudes. Esos movimientos se llaman isometrías. Empezaremos midiendo segmentos y construyendo una reflexión. Después escribiremos las reglas con matrices, justificaremos por qué abarcan todos los movimientos rígidos del espacio euclídeo y compararemos el orden de dos movimientos.

Si necesitas repasar:

1. Conservar distancias significa conservar cada segmento

La distancia entre puntos P y R es la longitud de P−R: d(P,R)=‖P−R‖.
En coordenadas, el producto escalar u·v=Σuᵢvᵢ da ‖v‖²=v·v.

En el plano, es el teorema de Pitágoras aplicado al cambio horizontal y vertical.

Una isometría F cumple d(F(P),F(R))=d(P,R) para toda pareja. Conservar solo la distancia al origen no basta. Para vectores no nulos, cosθ=(u·v)/(‖u‖‖v‖); Cauchy–Schwarz asegura que ese cociente está entre −1 y 1 y permite interpretar también los ángulos.

Medir antes y después de mover

P=(−1,2), R=(2,6); traslada por b=(3,−2).

  1. Antes

    R−P=(3,4), longitud √(9+16)=5.
  2. Mover ambos

    P′=(2,0), R′=(5,4).
  3. Después

    R′−P′=(3,4), longitud cinco otra vez.
Resultado

La traslación conserva ese segmento porque cancela el mismo cambio en ambos extremos.

Lo comprobamos

El argumento funciona con cualquier pareja, no solo con los dos puntos elegidos.

Conservar radios no basta

Considera F(x,y)=(√(x²+y²),0).

  1. Radios

    Cada punto mantiene su distancia al origen.

  2. Dos puntos

    P=(1,0) y R=(0,1) distan √2.
  3. Sus imágenes

    Ambas son (1,0), con distancia cero.

Resultado

F no es una isometría.

Lo comprobamos

La definición exige todas las distancias entre puntos, no solo las que parten del origen.

2. Una matriz ortogonal conserva productos escalares y longitudes

Q es ortogonal si QᵀQ=I.

Al multiplicar, las entradas de QᵀQ son los productos escalares de sus columnas; por eso la condición dice que las columnas tienen longitud uno y son perpendiculares entre sí. Son una base ortonormal.

Para cualesquiera u,v, (Qu)·(Qv)=uᵀQᵀQv=u·v.

Así se conservan normas y ángulos.

Además Q es invertible y Q⁻¹=Qᵀ.

Recíprocamente, una transformación lineal que conserve todas las normas conserva productos escalares por la identidad 2u·v=‖u+v‖²−‖u‖²−‖v‖², y su matriz es ortogonal.

Comprobar una rotación con sus columnas

Q=[[0,−1],[1,0]].

  1. Columnas

    (0,1) y (−1,0) tienen norma uno.

  2. Perpendicularidad

    Su producto escalar es cero, así QᵀQ=I.
  3. Acción

    Q(3,1)=(−1,3); ambas normas al cuadrado son diez.
Resultado

Q es ortogonal.

Lo comprobamos

La traspuesta devuelve Qᵀ(−1,3)=(3,1).

Un estiramiento no pasa la prueba

M=diag(2,1/2).

  1. Columnas

    Sus longitudes son dos y un medio, no uno.

  2. Producto

    MᵀM=diag(4,1/4), distinto de I.
  3. Testigo

    (1,0) pasa de longitud uno a dos.

Resultado

M no es ortogonal ni conserva distancias.

Lo comprobamos

No basta que sus columnas sean perpendiculares: también deben tener longitud uno.

3. Una parte ortogonal y una traslación dan un movimiento rígido

Si F(x)=Qx+b y Q es ortogonal, F(P)−F(R)=Q(P−R): la traslación desaparece al restar.

Tomar norma da exactamente la distancia original. Primero Q puede girar o reflejar respecto al origen y después b mueve toda la figura por igual.

La inversa es F⁻¹(y)=Qᵀ(y−b): primero deshacemos la traslación y después la parte ortogonal. Una traslación con b no nulo no es lineal porque F(0)=b; sí es afín. Confundir ambos tipos de aplicación dificulta encontrar centros y puntos fijos.

Girar y luego trasladar

F(x,y)=(−y+2,x−1).

  1. Partes

    Q(x,y)=(−y,x), b=(2,−1).
  2. Aplicar

    (3,1) gira a (−1,3) y después pasa a (1,2).

  3. Invertir

    De (1,2) restamos b para obtener (−1,3); Qᵀ devuelve (3,1).

Resultado

F es isometría y su inversa deshace los pasos en orden contrario.

Lo comprobamos

La inversa explícita es (u,v)↦(v+1,2−u).

Trasladar un triángulo punto a punto

A=(0,0), B=(2,0), C=(0,1); suma (−1,3).

  1. Imágenes

    A′=(−1,3), B′=(1,3), C′=(−1,4).
  2. Lados

    B′−A′=(2,0), C′−A′=(0,1), C′−B′=(−2,1).
  3. Unir

    Al mantener el mismo orden de vértices se reconstruye una copia congruente.

Resultado

Los tres lados mantienen sus longitudes.

Lo comprobamos

No se cambia cada vértice con una traslación distinta: b debe ser el mismo para todos.

4. Toda isometría del espacio completo tiene esa forma afín

Partimos solo de que F:ℝⁿ→ℝⁿ conserva distancias.
Ponemos b=F(0) y g(x)=F(x)−b.

Entonces g fija cero, conserva normas y distancias. La identidad 2u·v=‖u‖²+‖v‖²−‖u−v‖² muestra que g conserva todos los productos escalares.

Las imágenes g(eᵢ) de los vectores canónicos tienen productos escalares δᵢⱼ y forman una base ortonormal de ℝⁿ.

Para cualquier x, la componente de g(x) en la dirección g(eᵢ) es g(x)·g(eᵢ)=x·eᵢ=xᵢ.
Por tanto g(x)=Σxᵢg(eᵢ)=Qx.
Queda probado F(x)=Qx+b, con Q ortogonal.

No supusimos que F fuera lineal ni biyectiva: ambas conclusiones apropiadas se deducen de esta forma.

Reconstruir una isometría por tres datos en el plano

F(0,0)=(2,−1), F(1,0)=(2,0), F(0,1)=(1,−1).

  1. Traslación

    b=(2,−1).
  2. Columnas

    Restar b da (0,1) y (−1,0), ortonormales.

  3. Regla forzada

    Para todo (x,y), F(x,y)=x(0,1)+y(−1,0)+b=(2−y,x−1).
Resultado

Esos datos determinan la isometría.

Lo comprobamos

Para x=2,y=3, la regla da (−1,1), sin necesidad de conocer imágenes intermedias.

Datos que ninguna isometría puede cumplir

F(0,0)=(0,0), F(1,0)=(1,0), F(0,1)=(1,1).

  1. Distancia inicial

    (0,1) está a distancia uno del origen.

  2. Distancia propuesta

    Su imagen (1,1) está a √2 de F(0).

  3. Fallo

    Ni siquiera preserva esta pareja de puntos.

Resultado

No existe una isometría con esas tres imágenes.

Lo comprobamos

No se intenta forzar una matriz ortogonal si los datos ya contradicen las distancias.

5. El determinante distingue orientación, pero no certifica rigidez por sí solo

De QᵀQ=I obtenemos (det Q)²=1.

Una isometría puede tener determinante uno, conservando orientación, o menos uno, invirtiéndola. En ambos casos el valor absoluto es uno y se conservan áreas y volúmenes no orientados.

Para una matriz general, tener determinante uno solo conserva volumen; puede estirar unas direcciones y comprimir otras. Una semejanza F(x)=cQx+b multiplica todas las distancias por |c|.

Si |c|≠1 es una copia a escala, no una isometría.

Reflejar cambia la orientación sin cambiar el tamaño

S(x,y)=(x,−y).

  1. Matriz

    diag(1,−1) es ortogonal y su determinante es −1.

  2. Triángulo

    (0,0),(2,0),(0,1) tiene área orientada uno.

  3. Imagen

    (0,0),(2,0),(0,−1) tiene área orientada −1 y área ordinaria uno.

Resultado

La orientación se invierte y las longitudes permanecen.

Lo comprobamos

La perpendicularidad de los ejes y las normas de sus imágenes se conservan.

Área conservada con forma deformada

M=diag(2,1/2).

  1. Determinante

    2·1/2=1.
  2. Cuadrado

    Un cuadrado unidad pasa a un rectángulo de lados dos y un medio.

  3. Área

    Sigue siendo uno, aunque cambien lados y diagonales.

Resultado

El determinante no sustituye a QᵀQ=I.

Lo comprobamos

La diagonal cambia de √2 a √(17/4), mostrando otra longitud que no se conserva.

6. Para girar alrededor de un centro, lo llevamos primero al origen

La rotación antihoraria de ángulo θ manda (1,0) a (cosθ,senθ) y (0,1) a (−senθ,cosθ). Esas son las columnas: Rθ=[[cosθ,−senθ],[senθ,cosθ]]. Su producto con su traspuesta da I y su determinante es uno.

Alrededor de c, usamos F(x)=c+Rθ(x−c): restar c, girar y volver a sumar c. Si θ no es múltiplo de 2π, el único punto fijo es c, porque una rotación no trivial no fija ningún vector no nulo. Para θ múltiplo de 2π obtenemos la identidad, que fija todos los puntos.

Un cuarto de vuelta fuera del origen

Gira P=(3,2) noventa grados antihorarios alrededor de c=(1,1).

  1. Centrar

    P−c=(2,1).
  2. Girar

    R(2,1)=(−1,2).
  3. Volver

    c+(−1,2)=(0,3).
Resultado

La imagen es (0,3).

Lo comprobamos

Ambos puntos están a √5 del centro; el producto escalar de (2,1) y (−1,2) es cero.

Media vuelta y punto fijo

F(x,y)=(4−x,−2−y).

  1. Reconocer

    F(z)=2c−z con c=(2,−1).
  2. Forma centrada

    F(z)=c−(z−c), rotación de π.
  3. Fijar

    F(z)=z exige z=c; (5,1) pasa a (−1,−3).
Resultado

Es una media vuelta con centro (2,−1).

Lo comprobamos

El centro es el punto medio entre (5,1) y (−1,−3).

7. Reflejar conserva la parte paralela al espejo y cambia la perpendicular

Sea una recta n·x=c, con n normal unitaria.

El número s=n·x−c es la distancia con signo.

La proyección sobre el espejo es x−sn. Para llegar al reflejado recorremos otra vez ese mismo cambio: F(x)=x−2(n·x−c)n.

La distancia perpendicular se repite al otro lado del espejo
Espejo: y=1y=1P(−1;4)P′(−1;−2)33Mismo x ; y′=2−y
Reflexión del punto menos uno cuatro sobre la recta horizontal y igual a uno. Su proyección es menos uno uno y la distancia perpendicular es tres. El reflejado menos uno menos dos está tres unidades al otro lado. La regla es conservar x y cambiar y a dos menos y.
La parte lineal es Q=I−2nnᵀ.

Un vector tangencial tiene producto cero con n y permanece igual; n pasa a −n. Así Q es ortogonal y su determinante plano es −1. Si el espejo está desplazado, aparece una traslación en la fórmula, aunque el movimiento completo siga siendo una reflexión.

El espejo horizontal del dibujo

Refleja P=(−1,4) en y=1.

  1. Normal

    n=(0,1), c=1: la distancia con signo es 4−1=3.
  2. Proyección

    P−3n=(−1,1).
  3. Otro tramo

    P−6n=(−1,−2).

    La regla general es (x,y)↦(x,2−y).

Resultado

P′=(−1,−2).

Lo comprobamos

Su punto medio con P es (−1,1), en el espejo, y las dos distancias perpendiculares son tres.

Un espejo diagonal

Refleja (4,1) en la recta y=x.

  1. Normal unitaria

    n=(1,−1)/√2, c=0.
  2. Producto

    n·(4,1)=3/√2; dos veces ese valor por n es (3,−3).
  3. Restar

    (4,1)−(3,−3)=(1,4).
Resultado

La reflexión intercambia las coordenadas.

Lo comprobamos

El punto medio (5/2,5/2) está en y=x y el segmento imagen tiene pendiente −1, perpendicular al espejo.

8. Los puntos fijos separan los cuatro tipos de movimiento del plano

Para F(x)=Qx+b, un punto fijo satisface (I−Q)x=b.

Si det Q=1 y Q=I, tenemos una traslación, incluida la identidad si b=0. Si det Q=1 y Q≠I, es una rotación: I−Q es invertible y el centro fijo es único.

Si det Q=−1, Q tiene una dirección tangencial con valor propio uno y una normal con valor propio menos uno. La componente normal de b desplaza el eje de reflexión. La componente tangencial lo desliza. Si esta última es cero, hay una recta de puntos fijos y es reflexión; si es no nula, no hay puntos fijos y es reflexión deslizante.

Mismo espejo, pero con un deslizamiento

F(x,y)=(x+3,2−y).

  1. Parte ortogonal

    diag(1,−1), orientación invertida.

  2. Normal

    2−y indica espejo y=1.
  3. Tangencial

    x+3 desplaza tres unidades a lo largo del espejo; la ecuación fija x=x+3 es imposible.

Resultado

Es una reflexión deslizante sin puntos fijos.

Lo comprobamos

Aplicarla dos veces da (x+6,y), una traslación no nula.

Recuperar un centro resolviendo una ecuación

F(x,y)=(−y+2,x−1).

  1. Fijar

    x=−y+2 e y=x−1.
  2. Resolver

    x+y=2 y y=x−1 dan x=3/2,y=1/2.
  3. Clasificar

    La parte lineal es un cuarto de vuelta, así es rotación alrededor de ese punto.

Resultado

Centro (3/2,1/2).

Lo comprobamos

Sustituir el centro en F lo deja fijo; no se confunde el vector b=(2,−1) con el centro.

9. El orden de dos movimientos cambia el resultado

Si F(x)=Qx+b y G(x)=Rx+c, entonces F(G(x))=QRx+Qc+b.

Q también actúa sobre la traslación interior c. El producto QR sigue siendo ortogonal, así las composiciones forman de nuevo isometrías. Sus determinantes multiplican los signos de orientación.

Dos reflexiones cuyos ejes se cortan producen una rotación de doble ángulo orientado entre el primer eje y el segundo. Dos espejos paralelos producen una traslación perpendicular de doble separación, con sentido según el orden. Puede verse midiendo el ángulo de una dirección o siguiendo la coordenada normal a los espejos.

Girar y trasladar no conmutan

R(x,y)=(−y,x), T(x,y)=(x+2,y).

  1. Primero T

    R(T(0,0))=R(2,0)=(0,2).
  2. Primero R

    T(R(0,0))=T(0,0)=(2,0).
  3. Reglas

    R∘T=(−y,x+2), pero T∘R=(2−y,x).
Resultado

El resultado depende del orden.

Lo comprobamos

Las dos reglas conservan distancias; ser isometrías no obliga a que conmuten.

Dos espejos paralelos y dos que se cortan

Compara reflexiones en y=0 e y=2; después en y=0 e y=x.

  1. Paralelos

    Reflejar primero en y=0 y después en y=2 lleva y a −y y luego a 4+y: traslación vertical de cuatro.

  2. Invertir orden

    Produce y−4, misma magnitud y sentido opuesto.

  3. Secantes

    Primero (x,y)↦(x,−y), después intercambiar coordenadas da (−y,x), giro de π/2.

Resultado

La separación dos se duplica; el ángulo π/4 también se duplica.

Lo comprobamos

Aplicar las reglas a un punto concreto permite comprobar el sentido y evita perderlo en un dibujo simétrico.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una rotación

Rota (1,0) un ángulo π/2 antihorario.

  1. Fijar centro y sentido

    Se gira alrededor del origen y π/2 positivo significa un cuarto de vuelta antihorario.

  2. Construir la regla

    Rθ tiene columnas (cosθ,senθ) y (−senθ,cosθ).

  3. Evaluar

    cos(π/2)=0 y sen(π/2)=1, de modo que R=[[0,−1],[1,0]].
  4. Nueva x

    0·1−1·0=0.
  5. Nueva y

    1·1+0·0=1.

    La imagen es (0,1).

  6. Comprobar

    El semieje positivo horizontal gira al vertical positivo; la norma sigue siendo uno y el determinante es uno.

Resultado

(0,1).

Lo comprobamos

Las dos normas son uno y la matriz tiene determinante uno. Se conserva longitud y orientación.

EJEMPLO RESUELTO 2

Reflexión

Refleja (2,3) respecto al eje x.

  1. Ubicar el espejo

    El eje x es y=0 y su normal unitaria es (0,1).
  2. Proyectar

    (2,3) está tres unidades por encima. Su proyección perpendicular es (2,0).

  3. Conservar tangencial

    La coordenada horizontal queda en dos.

  4. Repetir distancia al otro lado

    Tres unidades por debajo del eje dan y=−3; en fórmula (2,3)−6(0,1)=(2,−3).

  5. Reconocer matriz

    diag(1,−1) es ortogonal y tiene determinante −1.

  6. Verificar simetría

    El medio de ambos puntos está en el eje y el segmento que los une es perpendicular. Reflejar de nuevo devuelve (2,3).

Resultado

(2,−3).

Lo comprobamos

Ambos puntos distan tres del eje y √13 del origen. Aplicar la misma reflexión otra vez devuelve (2,3).

Los símbolos que hemos usado

⟨u,v⟩=uᵀv
Producto escalar euclídeo de vectores columna reales.
‖v‖
Norma euclídea √⟨v,v⟩.
d(P,R)
Distancia euclídea ‖P−R‖ entre dos puntos.
QᵀQ=I
Condición de matriz ortogonal: sus columnas forman una base ortonormal.
F(x)=Qx+b
Isometría con parte ortogonal Q y vector de traslación b.
det Q
Signo de orientación de una matriz ortogonal, necesariamente uno o menos uno.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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