buku ajar matakuliah geometri · pdf file0,0 ,= t 1 + t 2 u 1 + u 2 diperoleh t 1 ... b x x....
TRANSCRIPT
BUKU AJAR
MATAKULIAH GEOMETRI TRANSFORMASI
TINJAUAN MATAKULIAH
A. Deskripsi Singkat Mata Kuliah
Mata kuliah ini membahas tentang geometri dari sudut pandang grup transformasi,
konsep-konsep grup sebagai unsur dari struktur aljabar diterapkan melalui operasi pada
transformasi atas bangun geometri di bidang datar.
B. Manfaat dan Relevansi Mata Kuliah
Setelah selesai mengikuti perkuliahan ini mahasiswa diharapkan dapat menguasai dan
memahami materi Geometri Transformasi sebagai salah satu bekal mengajar di SMP dan
SMA/K dan sarana untuk meningkatkan kemampuan pemecahan masalah baik pada
materi Geometri Transformasi sendiri, matakuliah lain, dan masalah-masalah lain.
Matakuliah Geometri Transformasi ini merupakan bekal bagi mahasiswa untuk
mempelajari matakuliah Struktur Aljabar, namun sebelum mahasiswa mempelajari
Geomatri Transformasi mahasiswa harus menguasai matakuliah Matematika Dasar.
C. Standar Kompetensi Mata Kuliah
Mahasiswa mampu menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan materi Geomatri
Transformasi.
D. Urutan dan Kaitan Antar BAB
Cakupan materi pada mata kuliah geometri transformasi adalah sebagai berikut: Fungsi
Transformasi Refleksi Isometri Hasil Kali Transformasi Transformasi
Balikan Setegah Putaran Dilatasi Translasi Rotasi Refleksi Geser
E. Saran/Petunjuk Belajar
Matakuliah Geometri Transformasi akan membehas berbagai materi yang saling terkait.
Oleh sebabitu, pelajarilah materi dalam setiap babnya secara baik dan runtut sesuai yang
dipaparkan pada buku ajar.
BAB VII
SETENGAH PUTARAN
A. PENDAHULUAN
Deskripsi Singkat Cakupan Bab
Pada bab ini akan membahas jenis transformasi yang ke 2 yaitu, setengah putaran.
Materi Setengan Putaran ini akan disajikan dengan dikaitkan pada materi
pencerminan dan dilatasi. Akan ada 9 teorema yang akan dibahas pada bab ini, guna
membentu mahasiswa mempermudah menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan
Setengan Putaran atau masalah Geometri transformasi secara umum.
Relevansi Ban
Bab Setengan Putaran didasari dari materi pencerminan dan sebagai bekal
mempelajari materi Dilatasi.
Kompetensi Dasar Bab
Mahasiswa mampu mendefinisikan setengan putaran, mampu membuktikan 9
teorema di setengan putaran, dan mampu menyelsaikan masalah yang terkait dengan
setengah putaran, pencerminan, dan dilatasi.
B. MATERI
Setengah Putaran mengelilingi sebuah titik adalah suatu involusi. Suatu setengah
putaran mencerminkan setiap titik di bidang pada sebuah titik tertentu sehingga disebut juga
pencerminan pada suatu titik.
Definisi
Sebuah setengah putaran pada suatu titik π΄ adalah suatu padanan ππ΄ yang didefinisikan untuk
setiap titik pada bidang sebagai berikut :
1. Apabila π β π΄ maka π1 π = πβ² sehingga π΄ titik tengah ruas garis ππβ² .
2. ππ΄ = π΄
Setengah putaran adalah suatu transformasi
Bukti:
Akan dibuktikan ππ΄Bijektif.
Untuk membuktikan ππ΄ Bijektif maka harus dibuktikan terlebih dahulu ππ΄ Surjektif dan
Injektif.
(1) Akan dibuktikan ππ΄ Surjektif
Untuk menunjukkan ππ΄ Surjektif, akan ditunjukkan βπβ² β π β ππ΄ π = πβ²
Ambil sebarang πβ² β π
πβ² β π β πβ² = ππ΄(π)
ππππ π = π΄,ππππ ππ΄ π΄ = π΄β² = π΄
Jadi, β πβ² β π β πβ² = π = ππ΄(π)
Jika π β π΄ maka A menjadi sumbu ruas garis β², berarti ππ΄ π = πβ²
Jadi, ππ΄Surjektif
(2) Akan dibuktikan ππ΄ Injektif
Missal π΅1 β π΅2
Kasus I
π΅1 = π΅2 = π΄
Untuk π΅1 = π΄ maka ππ΄ π΅1 = π΅1 = π΅1β²β¦β¦β¦β¦β¦β¦..1*)
Untuk π΅2 = π΄ maka ππ΄ π΅2 = π΅2 = π΅2β²β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦2*)
Dari 1*) dan 2*) maka diperoleh ππ΄ π΅1 β ππ΄ π΅2
Kasus II
π΅1 β π΅2 β π΄
Ambil sebarang π΅1,π΅2 β π ππππππ π΅1 β π΅2
π΅1 β π΄,π΅2 β π΄, π΅2,π΅2,π΄ π‘ππππ π ππππππ
Sehingga ππ΄ π΅1 = π΅1β² dan ππ΄ π΅2 = π΅2β²
Andaikan ππ΄ π΅1 = ππ΄ π΅2
Karena ππ΄ π΅1 = ππ΄ π΅2
Maka π΅1β² = ππ΄ π΅1 = ππ΄ π΅2 = π΅2β²
Sehingga diperoleh π΅1β² = π΅2β² dan α1 = π΅2
Menurut teorama, βMelalui dua titik hanya dapat dibuat satu garisβ
Ini kontradiksi dengan pernyataan bahwa π΅1 β π΅2
Pengandaian π΅1 β π΅2 ππππ ππ΄ π΅1 = ππ΄ π΅2 harus dibatalkan.
Jadi, ππ΄ π΅1 β ππ΄ π΅2
Jadi ππ΄ Injektif
Dari (1) dan (2) maka diperoleh ππ΄ Surjektif dan ππ΄ Injektif
Karena ππ΄ Surjektif dan ππ΄ Injektif, maka ππ΄Bijektif
Karena ππ΄Bijektif, maka ππ΄adalah suatu transformasi.
Jadi, terbukti bahwa suatu setengah putaran adalah transformasi.
Teorema 7.1
Andaikan π¨ sebuah titik,π dan πdua garis tegak lurus yang berpotongan di π¨.Maka
πΊπ¨ = π΄ππ΄π.
Bukti :
Diketahui π΄ sebuah titik, π dan β dua garis tegak lurus yang berpotongan di π΄.
a) Kasus I : π β π΄
Karena π β₯ β maka dapat dibentuk sebuah sistem sumbu orthogonal dengan π sebagai
sumbu X dan β sebagai sumbu Y. π΄ sebagai titik asal.
Ambil titik π β π
Perhatikan Gambar 7.2
Ditunjukkan bahwa untuk setiap π berlaku ππ΄ π = πππβ π
Andaikan π π₯,π¦ β π΄ dan ππ΄ π = πβ²β² π₯1,π¦1
Karena ππ΄ π = πβ²β² maka π΄ titik tengah ππβ² sehingga
0,0 = π₯1 + π₯
2,π¦1 + π¦
2
Diperoleh π₯1 + π₯ = 0 βΊ π₯1 = βπ₯ dan γ±1 + π¦ = 0 βΊ π¦1 = βπ¦
Artinya γ±π΄ π = βπ₯,βπ¦ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(1)
Komposisi pencerminan
πππβ π = ππ πβ π
= ππ βπ₯,π¦
π΄
πβ² β²(βπ₯,βπ¦)
πβ²(βπ₯,π¦) P(x,y)
β
π π
= (βπ₯,βπ¦)
Artinya πππβ π = (βπ₯,βπ¦) β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(2)
Dari persamaan (1) dan (2) diperoleh _π΄ π = πππβ π .
Jadi, ππ΄ = πππβ
b) Kasus II : π = π΄
Menurut Definisi, ππ΄(π΄) = π΄ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(1*)
πππβ π΄ = ππ π΄ = π΄ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦.(2*)
Dari persamaan (1*) dan (2*) diperoleh ππ΄ π΄ = πππβ π΄ .
Jadi, ππ΄ = πππβ .
Teorema 7.2
Jika π dan π dua garis yang tegak lurus maka π΄ππ΄π = π΄ππ΄π
Bukti
a) Kasus I : π β π΄
Karena π β π΄, maka πππβ(π) = ππ΄(π).
πβππ π = πβ ππ π = γ΅β π₯,βπ¦ = βπ·,βπ¦ = γ°π΄(π).
diperolehπππβ(π) = ππ΄(π) = πβππ π
Jadi, πππβ = πβππ
b) Kasus II : π = π΄
Karena π = π΄, maka πππβ π΄ = ππ π΄ = π΄
πβππ π΄ = πβ π΄ = π΄
Sehingga diperoleh πππβ π΄ = πβππ π΄ .
Jadi, πππβ = πβππ .
Teorema 7.3
Jika πΊπ¨ setengah putaran, maka πΊβππ¨ = πΊπ¨.
Bukti
Andaikan π dan β dua garis yang tegak lurus maka πππβ = ππ΄ dengan π΄ titik potong
antara πdan β.
(πππβ)β1 = πβ1βπ
β1π = πβ1
π΄.
Karena πβ1β = πβ dan πβ1
π = ππmaka πβππ = πβ1π΄.
Karena π β₯ β, maka menurut teorema 7.2, πππβ = πβππ .
Sedangkan menurut teorema 7.1, ππ΄ = γ¦ππβ .
Sehingga diperoleh πβ1π΄ = πβππ = πππβ = ππ΄.
Jadi, πβ1π΄ = ππ΄.
Teorema 7.4
Jika π¨ = (π,π) dan π· = (π,π)maka πΊπ¨ π· = (ππ β π,ππ β π).
Bukti
a) Kasus I : π β π΄
Misalkan π" = (π₯1,π¦1) dan ππ΄(π) = π" maka π΄ titik tengah ππ" sehingga diperoleh
π, π = π₯1 + π₯
2 ,
π¦1 + π¦
2
Maka π₯1+π₯
2= π dan
π¦1+π¦
2= π sehingga diperoleh
π₯1+π₯
2= π βΊ π₯1 + π₯ = 2π βΊ π₯1 = 2π β π₯ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..(1*)
π¦1+π¦
2= π βΊ π¦1 + π¦ = 2π βΊ π¦1 = 2π β π¦ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(2*)
Dari persamaan (1*) dan (2*) maka π₯1,π¦1 = 2π β π₯ , (2π β π¦)
Karena ππ΄(π) = π", maka ππ΄ π = π₯1,π¦1 = 2π β π₯ , (2π β π¦)
Jadi, ππ΄ π = (2π β π₯, 2π β π¦).
b) Kasus II : π = π΄
Karena π = π΄, maka π₯,π¦ = π, π artinya π = π₯ dan π = π¦.
βπ΄ π = ππ΄ π΄ = π΄ = (π, π)
π, π = 2π β π , 2π β π
= 2π β π₯ , 2π β π¦
Jadi, ππ΄ π = (2π β π₯, 2π β π¦).
7.2 Lanjutan Setengah Putaran
Kita ingat kembali tentang refleksi atau pencerminan.
Definisi refleksi atau pencerminan ialah
1. gAAAM g ,
2. 'PPM g , yang bersifat g adalah sumbu ruas garis 'PP
Jelas bahwa gA yang dicerminkan terhadap garis g maka A berimpit dengan petanya.
Titik yang demikian dinamakan titik tetap (invariant) refleksi.
Definisi
A dinamakan titik tetap (invariant) transformasi T apabila berlaku T(A) = A
Dari definisi tersebut, kita dapat memperoleh fakta bahwa sebuah refleksi garis g memiliki
tak hingga banyaknya titik tetap yaitu semua titik pada sumbu refleksi g itu sendiri.
Sedangkan pada sebuah setengah putaran di P (Sp), maka satu-satunya titik varian adalah P,
sebab Sp(P) = P dan Sp(X) = Xβ dengan PX dan P titik tengah ruas garis 'XX .
Definisi
Sebuah transformasi T yang bersifat bahwa sebuah garis petanya juga garis dinamakan
kolineasi
Karena setiap isometric adalah suatu kolineasi maka refleksi dan setengah putaran adalah
suatu kolineasi. Diantara kolineasi tersebut ada yang disebut dilatasi
Definisi
Suatu kolineasi dinamakan suatu dilatasi jika untuk setiap garis g berlaku sifatβ(π)/
/π.
Teorema 7.5
Andaikan SA suatu setengah putaran, dan g sebuah garis. Apabila π¨ β π,ππππ ππ΄(π)/
/π
Diketahui : SAsebuah garis g, gA
Buktikan bahwa ππ΄(π)//π
Bukti :
Misal π β π, πππ π β π
karenaP β g maka A titik tengah PPβ² dengan Pβ² = SA P
karena Q β g maka A titik tengah QQβ² dengan Qβ² = SA Q
Perhatikan βAPQβ² dan βAQPβ²
Untuk membuktikan bahwa gβ² ββ g maka harus ditunjukkan βAPQβ² dan βAQPβ² adalah
kongruen.
m < ππ΄Qβ² = m(< ππ΄Pβ²) (sudut bertolak belakang)
PA = APβ²( karena A titik tengah PPβ² )
QA = AQ( karena A titik tengah QQβ² )
Menurut definisi kekongruenan (S Sd S)
sehinggaβAPQβ² β βAQPβ²
Karena βAPQβ² β βAQPβ² maka PQβ² = QPβ²
Karena PQβ² = QPβ² maka gβ² ββ g
Jadi, ππ΄(π)//π
Contoh
Diketahui dua garis g dan h tidak sejajar. A sebuah titik yang tidak terletak pada g atau h.
Tentukan semua titik X pada g dan semua titik Y pada h sehingga A titik tengah ruas garis
XY .
Dipunyai : garis g dan h tidak sejajar
hAgA ,
Ditanya : tentukan semua XYgah titik ten, AhYgX
Jawab :
Ambil gP
Jika PSP A' maka gSg A' melalui Pβ dan PA=APβ, gβ//g
Jika gβ memotong h di Y
Tarik YA memotong g di X
Maka X dan Y pasangan titik yang dicari
Ilustrasi :
P Q
ππ΄ π = πβ²
πβ² = ππ΄(π)
A
ππ΄ π = πβ²
π
Dari contoh di atas, buktikan bahwa X dan Y satu-satunya pasangan yang memenuhi
persyaratan, dan jika tidak menggunakan gSg A' tapi hSh A'' apakah akan
memperoleh pasangan lain lalu jelaskan hal tersebut
Dipunyai : garis g dan h tidak sejajar
hAgA , ,
Ditanya : Adb X dan Y satu-satunya pasangan yang memenuhi persyaratan.
Bukti :
Ambil π π‘ππππ π ππππππ β,π π‘ππππ π‘ππππ ππ’ππ’π β,πππ π΄ β β
Karena π΄ β β,ππππ ππ΄ β = ββ² ββ β
ββ²akan memotong π di titik π, sehingga π β ββ²
karena ππ΄ β = ββ² ββ β, maka ππ΄ π = π β β
Karena titik potong dari dua garis atau lebih akan hanya ada satu titik potong,
Maka π dan π satu-satunya pasangan .
sehinggaπ β ββ² ,π β π,π β ππ,πππ π β β,π β πβ² ,π β ππ
jadi, π dan π satu-satunya pasangan.
Teorema 7.6
Hasil kali dua setengah putaran dengan pusat yang berbeda, tidak memiliki titik tetap
Bukti :
Misal BAVBA ,,
Akan dibuktikan BASS tidak memiliki titik tetap
Misal g = AB
A
gβ
g P
Pβ Y
X
h
β ββ²
πβ²
π π΄
π
π
h AB di A, k AB di B
Akan ditunjukkan BASS = khMM
Karena hgA MMS , kgB MMS
Maka BASS =
kghg MMMM
kh
kh
kggh
kggh
kghg
kghg
MM
MIM
MMMM
MMMM
MMMM
MMMM
Akan ditunjukkan BASS tidak memiliki titik tetap
Misal X titik varian BASS
Jadi BASS (X) = X sehingga XXMM kh
Jadi
2... )(
1 ... )(
XMXMMM
XMXMMM
hkhh
hkhh
Dari (1) dan (2) diperoleh
XMXMXIMXM khkh
Misal 1XXMk
(i) Kasus 1 (1XX )
Misal khXX 1
Karena h dan k adalah sumbu ruas garis XX1 dan ruas garis hanya memiliki satu
sumbu maka h=k
Hal ini tidak mungkin sebab BA
(ii) Kasus 2 ( 1XX )
Misal 1XX
Maka Mh(X)=X dan Mk(X)=X
Jadi XhXkX din berpotongak h, ,
Hal ini tidak mungkin sebab h//k
Jadi, tidak mungkin ada sebuah titik X sehingga XXSSXMXM BAkh atau .
Jadi, BASS tidak memiliki titik tetap.
Ilustrasi teorema 7.6
Teorema 7.7
Jika BA adalah dua titik maka hanya ada satu setengah putaran yang memetakan A
pada B
Bukti :
Dipunyai BA
Akan dibuktikan BAST dengan T titik tengah ruas garis AB
Misal ada dua setengah putaran SD dan SE sehingga BABASD ESdan
Jadi AASD ES
Maka ASASS DDD E
11 S
Karena S-1
D=SD maka ASA D ES
Jadi jika ED , maka berarti bahwa A adalah titik tetap dari EDSS
Hal ini tidak mungkin ada lebih dari satu setengah putaran yang memetakan A pada B.
Satu-satunya setengah putaran adalah ST(A) = B dengan T titik tengah ruas garis AB
Teorema 7.8
Suatu setengah putaran adalah suatu dilatasi yang bersifat involutorik
Dipunyai titik VP
Akan dibuktikan
(1) g sebuah garis ggSP //
(2) ISS PP dengan I transformasi identitas
Bukti :
(1) Jelas SP(g) = gβ suatu garis.
Misal gBgA ,
g
h k
A B
Maka ',' gBgA dan PA = PAβ, PB = PBβ
Karena PA = PAβ, PB = PBβ, dan ''PBAmAPBm sehingga BPAPAB '
(s sd s)
Jelas BAPmPABm ''
Jadi g//SP(g) dan SP sebuah dilatasi
(2) Karena AASASS ppp ' , maka gIgSSgA PP
Jadi, ISS PP .
Hal ini berarti SP bersifat involuntorik
Dari pernyataan (1) dan (2) diperoleh fakta bahwa SP sebuah dilatasi bersifat
involuntorik. Atau dengan kata lainsuatu setengah putaran adalah suatu dilatasi yang
bersifat involutorik.
Ilustrasi :
Teorema 7.9
Apabila T suatu transformasi. H himpunan titik-titik dan A sebuah titik, maka
HATHTA 1
Bukti :
Dipunyai T transformasi, H himpunan titik-titik, A sebuah titik
Akan dibuktikan HATHTA 1
Ambil HTA
Jadi XTAHX
maka XXIXTTXTTAT 111
Jadi, HAT 1
B
A
Bβ
Aβ
P
SP(g)=gβ
g
Ambil HAT 1
Hal ini berarti HTAatau 1 HTATT
Contoh :
Dipunyai : 164, 22 yxyxE
Misal A = (4,-3) dan C = (3,1)
g adalah sumbu X
Ditanya : Selidiki apakah ESMA cg
Jawab :
Jelas gcgccg MSMSSM 111
Ambil P = (x,y)
Jelas yxPMyxP g ,,
Jelas yxyxPSc 2,61.2,3.2
Jadi yxyxSPMSPSM cgccg
2,6,1
Sehingga 1,232,463,411
cgcg SMASM
Karena EASM cg
1,21
maka berarti bahwa ESMA cg
Jadi, ESMA cg
Dengan cara serupa, kita dpat menentukan persamaan peta suatu himpunan apabila
persamaan himpunan tela diketahui.
Menurut teorema 7.9, HATHTA 1. Jika transformasi T adalah ESM cg
dengan 164, 22 yxyxE , maka EPSMESMP cgcg 1
. Berdasarkan
perhitungan yang telah dilakukan sebelumnya, jika yxP , maka
yxPSM cg
2,61
Jadi, 164,2,6 221
yxyxyxEPSM cg
Jadi haruslah 1624622 yx
Hal ini berarti bahwa 03616124, 22 yxyxyxPESMP cg
Sehingga diperoleh fakta bahwa 03616124 22 yxyx adalah persamaan peta E oleh
transformasi cgSM .
C. PENUTUP
Selesaikan soal-soal berikut disertai dengan langkah penyelesaianya.
1. Diket : titik A, B, P tak segaris dan berbeda.
Lukis :
a. ππ΄ π
b. π β ππ΅ π = π
2. Diket : garis π dan titik π΄, π΄ β π
Ditanya :
a) Lukisan garis π1 = ππ΄(π) dan mengapa π sebuah garis?
b) Buktikan bahwa πβ²//π.
3. Diketahui :π = π₯,π¦ β3π₯ + 2π¦ = 4 dan π΄ = (β2,1)
Ditanya :
a. π β π· = 3,π β πβ² = ππ΄(π)
b. Persamaan πβ²
c. Persamaan β β ππ΄ β = π