Математика

Пирамида, основные понятия и элементы

 

Вспомним понятие n-угольной пирамиды. Она получается следующим образом: в плоскости  лежит n-угольник с вершинами  и т. д. Вне плоскости  лежит точка Р. Точка Р соединяется с вершинами n-угольника – получаем пирамиду (рисунок 1).

 

Рис. 1. Пирамида

Определение.

Многогранник , составленный из n-угольника  и n треугольников , … называется пирамидой.

Площадь поверхности пирамиды состоит из площади боковой поверхности и площади основания:

 

Площадь основания пирамиды, площади основных правильных многоугольников

 

 

Рассмотрим нахождение площади основания правильной n-угольной пирамиды. Правильный n-угольник, как нам известно, имеет равные стороны и равные внутренние углы. Решим следующую задачу: для n-угольника с заданной длиной стороны () и количеством углов (n) найти площадь (рисунок 2).

 

Рис. 2. Нахождение площади n-угольника

Рассмотрим треугольник , в нем найдем угол . Таких углов всего n штук, значит:

Половина этого угла, угол .

Треугольник , где М – середина стороны , прямоугольный. В нем ОМ – радиус вписанной в n-угольник окружности,  – радиус описанной окружности. Поскольку у нас задан по условию катет рассматриваемого прямоугольного треугольника () и мы нашли острый угол (), то по соотношениям в прямоугольном треугольнике мы легко найдем все остальные элементы.

Чтобы найти площадь n-угольника, нужно сложить n площадей треугольников вида . Чтобы найти площадь этого треугольника, найдем катет ОМ прямоугольного треугольника :

Площадь треугольника определяется по формуле:

Теперь получим площадь всего n-угольника:

Рассмотрим наиболее распространенные частные случаи:

Площадь правильного треугольника:

Площадь квадрата:

Площадь правильного шестиугольника:

Чтобы нарисовать правильный шестиугольник, удобно пользоваться следующим алгоритмом (рисунок 3):

Построить окружность (зеленая пунктирная линия) Провести диаметр (синяя пунктирная линия) Отметить середины радиусов построенного диаметра Провести через середины перпендикуляры (красные пунктирные линии) Получены вершины шестиугольника – построить шестиугольник.

Рис. 3. Правильный шестиугольник

Чтобы найти площадь правильного шестиугольника действуем стандартным методом. Рассматриваем треугольник АОС, в нем находим угол ∠АОВ, таких углов шесть, имеем:

Поскольку отрезки ОА и ОВ равны, то углы ∠ОАВ и ∠ОВА также составляют по . Так, рассматриваемый треугольник правильный. Его площадь нам известна:

Площадь шестиугольника состоит из шести таких площадей:

 

Площадь боковой поверхности пирамиды

 

 

Рассмотрим нахождение площади боковой поверхности правильной пирамиды.

 

Где  – периметр основания;  – апофема.

Определение.

Апофема – высота боковой грани правильной пирамиды, проведенная из ее вершины.

Задача 1

В правильной треугольной пирамиде известна сторона основания и высота. Найти площадь боковой поверхности.

Решение. Проиллюстрируем условие задачи:

Рис. 4. Иллюстрация к задаче 1

Задана правильная пирамида с вершиной Р и основанием АВС. РН – высота пирамиды, РО – апофема. Сторона основания равняется . высота равняется . Высота и сторона основания полностью задают правильную пирамиду.

По вышеприведенной формуле для того, чтобы найти площадь боковой поверхности пирамиды, необходимо найти ее апофему и полупериметр основания. Периметр основания нам известен, так как задана сторона основания. Найдем апофему из прямоугольного треугольника РНО. Один из катетов задан по условию – . Найдем второй катет ОН, он соответствует радиусу вписанной в треугольник окружности, формула нам известна:

Найдем апофему по теореме Пифагора:

Теперь можем найти площадь боковой поверхности пирамиды:

 

Связь площади треугольника с площадью его проекции

 

 

Площадь боковой поверхности и площадь основания пирамиды связаны через величину двугранного угла при основании.

 

 

Решение задач

 

 

Задача 2

 

РН – перпендикуляр к плоскости треугольника АВН. Из точки Н опущен перпендикуляр НМ к прямой АВ. . Доказать:

Решение. Проиллюстрируем условие:

Рис. 5. Иллюстрация к задаче 2

Треугольник АВН – это проекция треугольника АВР. Нужно доказать, что площадь проекции есть площадь исходного треугольника на косинус двугранного угла между ними. Поскольку НМ – перпендикуляр к АВ, то и РМ – перпендикуляр к АВ по теореме о трех перпендикулярах. Значит, угол  – это линейный угол двугранного угла с ребром АВ. АВР – часть боковой поверхности, АВН – часть основания.

Найдем отношение площадей интересующих нас треугольников:

Рассмотрим прямоугольный треугольник РНМ. В нем РМ – гипотенуза, НМ – катет, прилежащий к заданному углу . Отсюда заключаем:

Что и требовалось доказать.

Задача 3

Доказать для правильной треугольной пирамиды: , где  – угол наклона боковой грани к основанию.

Решение. Проиллюстрируем условие:

 

Рис. 6. Иллюстрация к задаче 3

Задана правильная треугольная пирамида РАВС с основанием АВС и вершиной Р.  – линейный угол двугранного угла с ребром АВ, точкой Р в одной плоскости и точкой С в другой плоскости.

Очевидно, что угол наклона  боковой грани к основанию пирамиды одинаков для всех боковых граней, то есть если  и  – середины отрезков ВС, АС и АВ соответственно, то: .

В задаче 2 мы доказали: .

Аналогично:

Выполним сложение полученных выражений.

Что и требовалось доказать.

Задача 4

Боковые грани пирамиды РАВС наклонены к основанию под одним и тем же углом . Докажите, что вершина пирамиды Р проектируется в центр О вписанной в треугольник АВС окружности и что .

Решение. Проиллюстрируем условие задачи:

Рис. 7. Иллюстрация к задаче 4

Пусть РО – высота пирамиды. Найдем место расположения точки О. Из точки О опустим перпендикуляры к сторонам треугольника АВС – .

Поскольку  – перпендикуляр к АВ, то по теореме о трех перпендикулярах . Аналогично:  и . Тогда  – линейный угол двугранного угла при ребре АВ,  – линейный угол двугранного угла при ребре ВС,  – линейный угол двугранного угла при ребре АС. По условию . Так, имеем равные прямоугольные треугольники:  (по общему катету и равному острому углу). Из равенства треугольников следует равенство катетов: .

Так, точка О равноудалена от сторон треугольника АВС, то есть это центр его вписанной окружности, что и требовалось доказать.

Поскольку РО – высота пирамиды, то треугольники АОВ, АОС, СОВ – это проекции треугольников АРВ, АРС и ВРС соответственно. Имеем (основываясь на задаче 2):

Выполним сложение полученных выражений.

Что и требовалось доказать.

Итак, мы рассмотрели площадь поверхности пирамиды, в частности, площадь основания и площадь боковой поверхности, следующий урок будет посвящен задачам.

 

Список литературы

1. И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) / И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. – 5-е изд., испр. и доп. – М.: Мнемозина, 2008. – 288 с.: ил.
2. Шарыгин И. Ф. Геометрия. 10-11 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / Шарыгин И. Ф. – М.: Дрофа, 1999. – 208 с.: ил.
3. Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. Геометрия. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений с углубленным и профильным изучением математики /Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. – 6-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2008. – 233 с.: ил.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Fmclass.ru (Источник).
2. Rapidus.ru (Источник).
3. 2mb.ru (Источник).

 

Домашнее задание

1. Задача 1: основанием пирамиды является квадрат, одно из боковых ребер перпендикулярно основанию. Плоскость боковой грани, не проходящей через высоту пирамиды, наклонена к плоскости основания под углом . Наибольшее боковое ребро равно 12 см. Найдите высоту пирамиды и площадь боковой поверхности.
2. Задача 2: основанием пирамиды DABC является прямоугольный треугольник АВС, у которого гипотенуза АВ – 29 см, катет АС – 21 см. Боковое ребро DA перпендикулярно плоскости основания и равно 20 см. Найдите площадь боковой поверхности пирамиды.
3. Задача 3: основанием пирамиды является прямоугольник, диагональ которого равна 8 см. Плоскости двух боковых граней перпендикулярны к плоскости основания, а две другие боковые грани образуют с основанием углы  и . Найдите площадь поверхности пирамиды.