5707. Свойства гомотетии. Докажите, следующие свойства гомотетии:
1) прямая, проходящая через центр гомотетии, переходит в себя;
2) прямая, не проходящая через центр гомотетии, переходит в параллельную ей прямую;
3) угол переходит в равный ему угол;
4) гомотетия с коэффициентом
k
есть преобразование подобия с коэффициентом
|k|
.
Решение. Гомотетией с центром
O
и коэффициентом
k\ne0
(обозначается
H_{O}^{k}
) называется отображение плоскости на себя, при котором каждой точки
M
плоскости ставится в соответствие такая точка
M'
, что
\overrightarrow{OM'}=k\overrightarrow{OM}
.
Заметим, что отображение, обратное гомотетии
H_{O}^{k}
, также гомотетия с тем же центром
O
и коэффициентом
\frac{1}{k}
, т. е.
H_{O}^{\frac{1}{k}}
. Гомотетия с коэффициентом 1 есть тождественное отображение, а гомотетия с коэффициентом
-1
— симметрия относительно точки
O
.
Далее будем считать, что
k\ne1
.
1) При гомотетии с центром
O
точка
O
остаётся на месте. Если точка
M
отлична от
O
, то при
k\lt0
точка
O
лежит между точками
M
и
M'
, так как векторы
\overrightarrow{OM'}
и
\overrightarrow{OM}
противоположно направлены, а при
k\gt0
либо точка
M
лежит между
O
и
M'
(при
k\gt1
), либо
M'
лежит между
O
и
M
(при
0\lt k\lt1
), так как векторы
\overrightarrow{OM'}
и
\overrightarrow{OM}
сонаправлены.
Таким образом, каждая точка прямой
l
, проходящей через
O
, переходит в точку, также лежащую на прямой
l
, и в каждую точку прямой
l
переходит какая-то точка этой же прямой. Следовательно, прямая
l
переходит в себя.
2) Пусть
M'
и
N'
— образы точек
M
и
N
при гомотетии с центром
O
и коэффициентом
k
. Тогда
\overrightarrow{M'N'}=\overrightarrow{ON'}-\overrightarrow{OM'}=k\overrightarrow{ON}-k\overrightarrow{OM}=k(\overrightarrow{ON}-\overrightarrow{OM})=k\overrightarrow{MN}.

Если
M'
— образ точки
M
, лежащей на прямой
l
, не проходящей через центр гомотетии, а
N
— любая другая точка прямой
l
, то для образа
N'
точки
N
по доказанному верно равенство
\overrightarrow{M'N'}=k\overrightarrow{MN}
, поэтому векторы
\overrightarrow{M'N'}
и
\overrightarrow{MN}
коллинеарны, значит, прямая
M'N'
параллельна прямой
MN
. Следовательно, точка
N'
лежит на прямой
l'
, проходящей через точку
M'
параллельно прямой
l
. Поскольку такая прямая единственна, каждая точка прямой
l
, переходит в какую-то точку прямой
l'
. Верно и обратное, в каждую точку прямой
l'
переходит какая-то точка прямой
l
. Достаточно рассмотреть гомотетию
H_{O}^{\frac{1}{k}}
. Таким образом, прямая
l
, не проходящая через центр гомотетии, переходит в параллельную ей прямую
l'
. Что и требовалось доказать.
3) Поскольку при гомотетии луч переходит в сонаправленный (при
k\gt0
) или противоположно направленный с ним луч (при
k\lt0
), то угол переходит в равный ему угол.
4) Пусть
M
и
N
— произвольные точки плоскости, а
M'
и
N'
— их образы при гомотетии с центром
O
и коэффициентом
k
. Тогда
\overrightarrow{M'N'}=k\overrightarrow{MN}
, а по свойству умножения вектора на число
M'N'=|k\overrightarrow{MN}|=|k||\overrightarrow{MN}|=|k|MN,

т. е. расстояние между любыми двумя точками умножается на одно и то же отличное от 0 число. Следовательно, это преобразование подобия.
Примечание. а) Для четвёртого утверждения верно и обратное: если о преобразовании
f
известно, что
\overrightarrow{M'N'}=k\overrightarrow{MN}
для любых двух точек
M
,
N
и их образов
M'
и
N'
, где
k
— постоянное число, отличное от нуля и единицы, то
f
— гомотетия (при
k=1
— параллельный перенос).
б) Из четвёртого утверждения следует, что гомотетичные фигуры подобны.