Szimmetrikus négyszögek. A négyszögek csoportosítása szimmetriáik szerint. Szabályos sokszögek

Vajon mitől ilyen szépek ezek a virágok, állatok, természeti jelenségek? Vajon mi a közös bennük? A harmónia, a szabályosság és szépség érzetének egyik lehetséges magyarázata ezeknek az élőlények a szimmetriája. Elképzelhető, hogy ha egy szirom hiányozna vagy a pillangó egyik pöttye nagyobb lenne, akkor már nem tartanánk annyira szépeknek ezeket az alakzatokat, hiszen már nem lennének szimmetrikusak.
Mindegyik alakzat szimmetrikus, de vajon ugyanúgy szimmetrikusak-e? Középiskolában a tengelyes, a középpontos és a forgásszimmetriával foglalkozunk részletesen. Tengelyesen szimmetrikus egy síkbeli alakzat, ha van az alakzat síkjában egy olyan egyenes, amelyre vonatkozó tükrözésnél az alakzat invariáns. Az egyenest szimmetriatengelynek hívjuk. Középpontosan szimmetrikus, ha a síknak van egy pontja, amelyre vonatkozó tükrözésnél az alakzat invariáns. A pontot szimmetria-középpontnak hívjuk. Egy alakzatot forgásszimmetrikusnak nevezünk, ha létezik a síkon egy olyan pont, ami körül az alakzatot egy ${0^ \circ }$ és ${360^ \circ }$ közé eső szöggel elforgatva az invariáns.
Állapítsuk meg, hogy az előbbi képeken látott élőlények milyen szimmetriával rendelkeznek! Mind a hat alakzat tengelyesen szimmetrikus. Két alakzat középpontosan szimmetrikus, négy pedig forgásszimmetrikus. Megfigyelhetjük, hogy egy alakzat többféle szimmetriát is mutathat.
A matematikában fontos szerepe van a szimmetriának. Vizsgáljuk meg ebből a szempontból a képernyőn látható, speciális alakzatokat!
Helyezzük el a Venn-diagram megfelelő helyeire az előbb látott alakzatokat!
A kör tengelyesen szimmetrikus bármely, a középpontján áthaladó egyenesre nézve, és középpontosan szimmetrikus a középpontjára nézve. A kör forgásszimmetrikus is: a középpontja körül tetszőleges szöggel elforgathatjuk, nem változik. A négyzet tengelyesen szimmetrikus az átlóira illeszkedő egyenesekre és az oldalfelező merőlegeseire, illetve középpontosan szimmetrikus az átlók metszéspontjára nézve. Forgásszimmetrikus is: ha e pont körül ${90^ \circ }$-kal elforgatjuk, a négyzet nem változik. A rombusz tengelyesen szimmetrikus az átlóira, és középpontosan szimmetrikus az átlók metszéspontjára nézve. Ez is forgásszimmetrikus, az átlók metszéspontja körüli ${180^ \circ }$-os forgatásnál invariáns.
Az ábrán látható paralelogramma tengelyesen nem szimmetrikus, de középpontosan szimmetrikus az átlók metszéspontjára nézve, és forgásszimmetrikus is: ugyanezen pont körüli ${180^ \circ }$-os forgatásnál invariáns.
A szabályos háromszög és a téglalap tengelyes és forgásszimmetriával is rendelkezik − mindkettő szimmetriatengelyei az oldalfelező merőlegesek. A szabályos háromszög forgásszimmetriája a középpont körüli ${120^ \circ }$-os elforgatás során tapasztalható. A téglalap forgásszimmetrikus, az átlók metszéspontja körül ${180^ \circ }$-kal forgatva változatlan marad.
Csak tengelyesen szimmetrikus alakzat például az ábrán látható húrtrapéz, aminek szimmetriatengelye az alapok felező merőlegese, illetve a deltoid, aminek tengelye az egyik átlója. Ilyen tulajdonságú ez az egyenlő szárú háromszög is, aminek a szimmetriatengelye az alap oldalfelező merőlegese.
Megfigyelhető, hogy minden középpontosan szimmetrikus alakzat forgásszimmetrikus is, hiszen a középpontos tükrözés egy ${180^ \circ }$-os forgatás.
Szimmetria szempontjából érdekesek még a szabályos sokszögek. Szabályos sokszög minden olyan sokszög, aminek minden oldala egyenlő hosszú és minden szöge egyenlő nagyságú.
Vizsgáljuk meg a szabályos ötszög és hatszög szimmetriáját! Kezdjük a tengelyes szimmetriával! Az ötszögnek, és minden páratlan oldalszámú szabályos sokszögnek, az oldalfelező merőlegesei a szimmetriatengelyei. Ezek egyben szögfelezők is. A hatszög, illetve minden páros oldalszámú szabályos sokszög szimmetriatengelyei az oldalfelező merőlegesei és a szögfelezői. Általában is igaz, hogy minden szabályos sokszög tengelyesen szimmetrikus, és annyi szimmetriatengelye van, mint ahány csúcsa.
Az öt- és hatszög közül csak a szabályos hatszög szimmetrikus középpontosan. Szimmetria-középpontja az oldalfelező merőlegesek metszéspontja. Általában is igaz, hogy csak a páros oldalszámú szabályos sokszögeknek van szimmetria-középpontjuk.