Reflexión (matemática)

En matemáticas, una reflexión es un mapeo desde un espacio euclídeo a sí mismo que es una isometría con un hiperplano como un conjunto de puntos fijos; este conjunto es llamado eje (en 2 dimensiones) o plano (en 3 dimensiones) de reflexión. La imagen de una figura por una reflexión es su imagen especular, en el eje o plano de reflexión. Por ejemplo, la imagen especular de la letra minúscula p por una reflexión con respecto a un eje vertical se vería como la letra q. Su imagen por una reflexión en un eje horizontal se vería como la letra b. Una reflexión es una involución: cuando se aplica dos veces sucesivas, cada punto regresa a su localización original, y un objeto geométrico es restaurado a su estado original.

El vocablo «reflexión» es usado en ocasiones para una clase mayor de mapeos de un espacio euclídeo a sí mismo, principalmente las isometrías no-identidad que son involuciones. Dichas isometrías tienen un conjunto de puntos fijos (el «espejo») que es un subespacio afín, pero es posiblemente más pequeño que un hiperplano. Por ejemplo, la reflexión a través de un punto es una isometría involutiva con sólo un punto fijo; la imagen de la letra p bajo ella se vería como una d. Esta operación también es conocida como una inversión central (Coxeter, 1969, §7.2), y exhibe al espacio euclídeo como un espacio simétrico. En un espacio vectorial euclídeo, la reflexión sobre el punto situado en el origen es lo mismo que la negación de un vector. Otros ejemplos incluyen reflexiones en una línea en espacio 3-dimensional. Típicamente, el uso sin calificativos del término «reflexión» quiere decir reflexión en un hiperplano.

Si una figura no cambia al aplicarsele una reflexión, se dice que tiene simetría especular

En la literatura (particularmente en inglés), se usa también el término flip para referirse a una reflexión.^[1]​^[2]​^[3]​

Construcción

 

El punto Q es la reflexión del punto P a través de la línea AB.

En una geometría planar (o, respectivamente, 3-dimensional), para encontrar la reflexión de un punto se tiende una línea perpendicular del punto a la línea (plano) usado para la reflexión y se extiende la misma distancia del otro lado de ésta. Para encontrar la reflexión de una figura, se reflejan todos los puntos de la misma.

Para reflejar al punto P a través de la línea AB usando una regla y compás, se procede de la siguiente forma (véase la figura):

1. (En rojo) Se construye un círculo con centro en P y un radio fijo r para crear los puntos A' y B' sobre la línea AB, que serán equidistantes a P.
2. (En verde) Se construyen círculos con centro en A' y B' con radio r. P y Q serán los puntos de intersección de estos dos círculos.

El punto Q es entonces la reflexión del punto P a través de la línea AB

Propiedades

 

Una reflexión a través de un eje seguida de una reflexión en un segundo eje no paralelo al primero resulta en un movimiento total que es equivalente a un movimiento de rotación alrededor del punto de intersección de los ejes.

La matriz de una reflexión es ortogonal con determinante de -1 y valores propios de -1, 1, 1, ..., 1. El producto de dichas matrices es una matriz especial ortogonal que representa una rotación. Cada rotación es el resultado de reflejar un número par de reflexiones en hiperplanos a través del origen, y cada rotación impropia es el resultado de reflejar un número impar de veces. De esta forma, las reflexiones general al grupo ortogonal, y este resultado es conocido como el Teorema de Cartan–Dieudonné.

De forma similar, el grupo euclídeo, que consiste en todas las isometrías del espacio euclídeo, es generado por reflexiones en hiperplanos afines. En general, un grupo generado por reflexiones en hiperplanos afines es conocido como un grupo de reflexión. Los grupos finitos generados de esta forma son ejemplos de grupos de Coxeter.^{[cita requerida]}

Reflexión a través de una línea en el plano

La reflexión a través de una línea que pasa por el origen en 2 dimensiones puede ser descrita con la siguiente fórmula

${\displaystyle \operatorname {Ref} _{l}(v)=2{\frac {v\cdot l}{l\cdot l}}l-v,}$ 

donde v denota al vector que será reflejado, l denota cualquier vector en la línea en la que será reflejada, y v·l denota el producto escalar de v con l. Nótese que la fórmula también puede ser escrita de la forma

${\displaystyle \operatorname {Ref} _{l}(v)=2\operatorname {Proy} _{l}(v)-v,}$ 

donde la reflexión de la línea l sobre v es igual a dos veces la proyección de v en la línea l menos v. Las reflexiones en una línea tienen los valores propios 1 y -1.

Reflexión a través de un hiperplano en n dimensiones

Dado un vector a en un espacio euclídeo Rⁿ, la fórmula para la reflexión en el hiperplano a través del origen, ortogonal a a, está dado por

${\displaystyle \operatorname {Ref} _{a}(v)=v-2{\frac {v\cdot a}{a\cdot a}}a,}$ 

donde v ⋅ a denota al producto escalar de v con a. Nótese que el segundo término en la ecuación superior es justamente el doble de la proyección de v sobre a. Es posible verificar que

• Ref_a(v) = −v, si v es paralelo a a, y
• Ref_a(v) = v, si v es perpendicular a a.

Usando el producto geométrico, la fórmula es

${\displaystyle \operatorname {Ref} _{a}(v)=-{\frac {ava}{a^{2}}}.}$ 

Ya que estas reflexiones son isometrías del espacio euclídeo en el que el origen se queda fijo, pueden ser representadas por matrices ortogonales. La matriz ortogonal correspondiente a la reflexión arriba escrita es la matriz cuyas entradas son

${\displaystyle R_{ij}=\delta _{ij}-2{\frac {a_{i}a_{j}}{\left\|a\right\|^{2}}},}$ 

donde δ_ij es la delta de Kronecker.

La fórmula para la reflexión en el hiperplano afín ${\displaystyle v\cdot a=c}$  no a través del origen, es

${\displaystyle \operatorname {Ref} _{a,c}(v)=v-2{\frac {v\cdot a-c}{a\cdot a}}a.}$ 

Véase también

• Transformación de Householder
• Inversión (geometría)
• Imagen especular

Notas

1. Childs, Lindsay N. (2009), A Concrete Introduction to Higher Algebra (3rd edición), Springer Science & Business Media, p. 251, consultado el {{subst:AF}} .
2. Gallian, Joseph (2012), Contemporary Abstract Algebra (8a edición), Cengage Learning, p. 32, consultado el {{subst:AF}} .
3. Isaacs, I. Martin (1994), Algebra: A Graduate Course, American Mathematical Society, p. 6, consultado el {{subst:AF}} .

Referencias

• Coxeter, Harold Scott MacDonald (1969), Introduction to Geometry (2nd edición), New York: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-50458-0, MR 123930 .
• Popov, V.L. (2001), «Reflection», en Hazewinkel, Michiel, ed., Encyclopaedia of Mathematics (en inglés), Springer, ISBN 978-1556080104 .
• Weisstein, Eric W. «Reflection». En Weisstein, Eric W, ed. MathWorld (en inglés). Wolfram Research. 

Enlaces externos

• Demostración interactiva de reflexión 2D y Demostración interactiva de reflexión 3D por Roger Germundsson, The Wolfram Demonstrations Project (en inglés)

•   Datos: Q426221
•   Multimedia: Reflection (geometry)