что такое равновеликий куб

Стереометрия. Страница 7

Главная > Учебные материалы > Математика: Стереометрия. Страница 7

1.Объем. Объем прямоугольного параллелепипеда. 2.Наклонный параллелепипед. 3.Объем пирамиды. 4.Объем призмы. 5.Равновеликие тела. 6.Объемы подобных тел. 7.Примеры.

1. Объем

Объем прямоугольного параллелепипеда

Возьмем куб объемом одна единица и три прямоугольных параллелепипеда с измерениями: a:1:1, a:b:1, a:b:c (Рис.1.1). Обозначим их объемы как V₁, V₂, V. Тогда можно составить следующие соотношения:

Перемножив эти три равенства почленно, получим, что объем прямоугольного параллелепипеда равен: V = abc.

Рис. 1 Объем прямоугольного параллелепипеда.

Рис. 1.1 Объем прямоугольного параллелепипеда V = abc.

2.Наклонный параллелепипед

Пусть дан наклонный параллелепипед ABCDA’B’C’D’ (Рис.2). Проведем плоскость через ребро D’C’, перпендикулярную основанию ABCD и построим треугольную призму, у которой грань DD’C’С будет являтся общей с гранью параллелепипеда DD’C’С.

Отсечем точно такую же призму с другой стороны параллелепипеда AA’EBB’F. Отсюда следует, что объем параллелепипеда EFHOA’B’C’D’ равен объему исходного параллелепипеда ABCDA’B’C’D’. Так как мы добавили и отсекли треугольную призму одного и того же размера.

Объем параллелепипеда EFHOA’B’C’D’ равен произведению площади основания EFHO на высоту EA’.

Следует отметить, что если у параллелепипеда две соседние боковые грани находятся под некоторым углом к основанию, т.е. ≠ 90°, то такое преобразование необходимо проделать два раза.

Таким образом, в конечном итоге, можно получить прямоугольный параллелепипед, у которого все боковые грани находятся под прямым углом к основанию. Такое преобразование сохраняет объем параллелепипеда, площадь основания и высоту.

Следовательно, объем любого параллелепипеда равен произведению площади основания на высоту.

Рис.2 Наклонный параллелепипед

3.Объем призмы

Пусть дана треугольная призма ABCA’B’C’ (Рис.3). Достроим данную призму до параллелепипеда. Тогда точка пересечения диагоналей (точка О) параллелограмма BB’C’C будет являться точкой симметрии. Следовательно объем призмы будет равен половине объема параллелепипеда.

Так как объем параллелепипеда равен произведению площади основания на высоту, то объем призмы будет равен также произведению площади основания на высоту.

Допустим, что основание призмы есть многоугольник. Тогда его можно разбить на несколько треугольников. Следовательно вся призма будет представлять собой несколько треугольных призм. А общий объем будет равен сумме объемов этих призм.

Таким образом: объем любой призмы равен произведению площади ее основания на высоту.

Рис. 3 Объем призмы.

4. Объем пирамиды

Пусть дана треугольная пирамида ABCS c вершиной S и основанием ABC (Рис.4). Достроим эту пирамиду до треугольной призмы с той же высотой и тем же основанием ABC. Таким образом, треугольная призма будет состоять из трех одинаковых пирамид.
Пирамида ABCS с вершиной S.
Пирамида AECS с вершиной S.
Пирамида CEFS с вершиной S.

Пирамиды AECS и CEFS имеют равные основания AEC и CEF и общую вершину S и соответственно высоту. Следовательно, они имеют равные объемы.

Пирамиды ABCS и CEFS имеют также равные основания ABC и SFE и равные высоты, т.к. основания лежат в параллельных плоскостях.

Отсюда можно сделать вывод, что все три пирамиды имеют один и тот же объем. Таким образом, объем одной пирамиды равен одной трети объема призмы.

Если основание пирамиды представляет собой многоугольник, то его можно разбить на треугольники и объем такой пирамиды можно рассчитать как сумму объемов всех составляющих пирамид, т.к. они все имеют одну и ту же высоту.

Отсюда можно сделать вывод, что объем любой пирамиды равен одной трети произведения площади ее основания на высоту.

Объем усеченной пирамиды

Пусть дана усеченная пирамида ABCA’B’C’ (Рис.4.1). Достроим нашу пирамиду до полной с вершиной O. Тогда объем усеченной пирамиды будет равен разности двух пирамид.

Рис. 4 Объем пирамиды.

Рис. 4.1 Объем усеченной пирамиды.

5. Равновеликие тела

Два геометрических тела называются равновеликими, если они имеют равные объемы.

Тогда суммы объемов G_a и G_b можно рассчитать по формулам:

Если n будет стремиться к бесконечности, то дробь SH/n будет стремиться к нулю. Следовательно:

Отсюда можно сделать вывод, что две треугольные пирамиды с равными площадями оснований и равными высотами равновелики.

Рис. 5 Равновеликие тела.

6. Объемы подобных тел

Пусть даны два подобных куба Q₁ и Q₂ (Рис.6), которые имеют измерения Q₁:a,b,c и Q₂:ka,kb,kc c коэффициентом подобия k соответственно.

Тогда объем куба Q₁ равен V₁ = abc,
а объем куба Q₂ равен V₂ = ka kb kc = k 3 abc = k 3 V₁.

Следовательно, отношение объемов двух кубов равно k 3

Объем подобной фигуры:

Точно так же можно разбить тело на несколько пирамид. Тогда объем всего тела будет равен сумме всех составляющих его пирамид.

Отсюда можно сделать следующий вывод, что отношение объемов двух подобных тел равно кубу их коэффициента подобия.

Рис. 6 Объемы подобных тел.

7. Пример 1

Три латунных куба 6 м, 8 м и 10 м переплавлены в один куб. Чему равно ребро этого куба.

Решение:

Пусть даны три латунных куба со сторонами 6 м, 8 м и 10 м (Рис.7). Найдем объем каждого куба:

V₁₀ = 10 3 = 1000 м 3

Отсюда следует, что общий объем должен быть равен:

V_общ = V₆ + V₈ + V₁₀ = 216 + 512 + 1000 = 1728 м 3

Следовательно, сторону куба можно найти из формулы:

а = 3 = 3 = 12 м.

Рис.7 Задача. Три латунных куба 6 м, 8 м и 10 м.

Пример 2

Решение:

Пусть дан прямоугольный параллелепипед, измерения которого равны 3 м, 4 м и 5 м (Рис.8). Найдем его площадь поверхности и объем.

S₁ = 2 * ((5 * 4) + (5 * 3) + (4 * 3)) = 94 м 2

V₁ = 5 * 4 * 3 = 60 м 3

S₂ = 2 * ((5 + х) * (4 + х) + (5 + х) * (3 + х) + (4 + х) * (3 + х)) = 94 + 54 = 148

Отсюда следует, что измерения увеличенного бруска составляют 4 м, 5 м и 6 м.

Отсюда, V₂ = 6 * 5 * 4 = 120 м 3

Т.е. объем увеличится вдвое.

Рис.8 Задача. Измерения прямоугольного бруска.

Пример 3

Решение:

Пусть дан прямой параллелепипед, в основании которого лежит ромб (Рис.9). Обозначим несколько переменных. h = AA’, a = AO, b = OD. Тогда составим следующие соотношения:

Третье уравнение решим относительно h и подставим во второе, затем второе уравнение подставим в первое:

Отсюда, а = 1 м, b = 1 / 2 м, h = 3 м.

Следовательно, объем параллелепипеда равен:

Пример 4

Боковые ребра наклонной треугольной призмы равны 15 м, а расстояние между содержащими их параллельными прямыми 26 м, 25 м и 17 м. Найдите объем призмы.

Решение:

Пусть дана наклонная треугольная призма (Рис.10). Боковое ребро AA’ = 15 м, PC = 25 м, PE = 17 м, EC = 26 м. Сечение РЕС перпендикулярно боковым ребрам. Найдем площадь треугольника РЕС по формуле Герона:

Так как треугольник РЕС лежит в плоскости, которая перпендикулярна ребрам призмы, то его следует рассматривать как проекцию треугольника АВС на плоскость сечения. Проведем прямую а, перпендикулярную стороне АВ. Опустим перпендикуляры ОC и TС к прямой а. Следовательно, угол ТСО = α и будет угол между плоскостями. Таким образом площадь треугольника АВС можно найти из формулы:

Рис.10 Задача. Боковые ребра наклонной треугольной призмы.

Таким образом, объем призмы можно найти по формуле:

Пример 5

Решение:

Пусть дана треугольная пирамида (Рис.11). AC = ВС = 6 м, АB = 8 м, SA = SB = SC = 9 м. Найдем площадь основания АВС по формуле Герона:

S_ABC = 8 м 2

Найдем радиус описанной окружности:

R = ОС = AB * BC * AC / 4S = 6 2 * 8 / 4 * 8 = 9 / м

По теореме Пифагора найдем SO:

SO = 18 / м

Теперь объем пирамиды найдем по формуле:

Источник

Равные многоугольники

По определению равные фигуры должны быть во всём одинаковыми, включая площадь, длину сторон, размер углов и другие параметры. Чтобы рассмотреть всё из них, уйдёт много времени, да это и не нужно, ведь они взаимозависимы. Хорошим примером будет самый простой многоугольник — треугольник. Существует несколько правил, по которым можно определить, равны ли 2 треугольника между собой или нет:

Нельзя путать первое условие с тремя углами. Ведь если в треугольнике равны 3 угла, они необязательно будут равными, но будут подобными.

Названия условий достаточно точно описывают критерии, по которым можно определить одинаковые 2 треугольника или нет. Из них следует, что необязательно знать все параметры: часто хватает только нескольких из них для определения «равности».

В большинстве случаев определить одинаковость других фигур гораздо сложнее, нежели треугольников. К счастью, чаще всего в школьной геометрии такой класс задач не рассматривают или даются дополнительные данные, помогающие с решением.

Например, доказательство «равности» для четырёхугольника сложнее, да и почти не встречается. Но если по условию сказано, что четырёхугольник не произвольный, а имеет прямые углы, задача становится проще. В таком случае рассматривается прямоугольник. А для него достаточно, чтобы 2 не противолежащие стороны были равны.

Если указано ещё и условие, что прямоугольник является квадратом, достаточно указать, что у двух таких фигур совпадает по длине одна сторона и уже этого будет достаточно.

Равность правильных фигур

Частным и самым простым для сравнения является случай, когда многоугольник по условию правильный. Так называется фигура с одинаковыми сторонами и углами. Например, равносторонний треугольник и квадрат. Важно не забывать проверить равны ли углы, так как не каждая фигура правильная. Тот же ромб по определению имеет 4 совпадающие по длине стороны, но разные углы. При сравнении правильных многоугольников достаточно указать, что, хотя бы одна сторона фигуры равна стороне у другой. Это будет достаточное условие для доказательства «равности».

Самым простым и наглядным способом сверки двух фигур будет не геометрический с помощью правил, а путём наложения рисунков друг на друга. Разумеется, что он не претендует на точность, но изобразить параллелограмм и наложить его на другой нагляднее, чем сравнивать, например, углы. Понятно, что так можно только ознакомиться с концепцией «равности» и показать, какие фигуры называются равными, для упрощения в дальнейшем решения задач, но доказывать что-либо нельзя, ввиду неточности метода.

Если при сравнении двух тел оказывается, что их площади равны, такие тела (многоугольники) являются равновеликими. Как и в случае с прошлым, это определение звучит несложно. Проблемы могут начаться непосредственно при вычислении площадей. Самый простой многоугольник — треугольник. Для вычисления его площади существует множество способов.

Вычисление площади треугольника

Чаще всего приходится работать с прямоугольными треугольниками. Их площадь вычислить несложно — это полупроизведение катетов (сторон, между которыми лежит прямой угол). Таким образом, даже если стороны двух фигур по длине разные, но их произведение равно, они равновеликие. Например, треугольник с катетами 4 и 4 равен по площади многоугольнику с катетами 16 и 1. Так как их полупроизведение, а значит и площадь равна 8.

Если же треугольник произвольный (то есть не является частным случаем — прямоугольным, равнобедренным или равносторонним), можно воспользоваться одной из 5 формул, позволяющих вычислить его площадь.

То, какую формулу использовать, будет зависеть от данных, предоставленных в задаче. Иногда придётся проводить дополнительное построение, например, провести высоту или использовать свойства, что биссектрисы пересекаются в центре вписанной окружности. Если не даны все 3 стороны, использовать третью формулу не получится.

Важно понять, что фигуры могут быть разными по количеству углов, но всё равно считаться равновеликими — в учёт идёт только площадь, остальные параметры не важны. Например, прямоугольный треугольник с катетами 2 и 4 будет визуально казаться больше, чем квадрат со стороной 2, но их площади совпадают и равны 4 (площадь прямоугольника считается как произведение прилежащих сторон друг на друга). По определению это делает их равновеликими.

Визуальный способ

Существует также наглядный, но неточный способ. Нужно взять листок в клеточку и нарисовать на нём многоугольники. Если рисунок получился большой — не страшно, так будет только проще в дальнейшем. Следующий шаг — посчитать количество клеток, которое заняла каждая фигура и сравнить. Если оно равно, равновеликость доказана. Опять же метод не точный, но для введения в концепцию площадей и их «равности» подойдёт.

Иногда встречается словосочетание «равносоставленная фигура». Такими называют произвольные многоугольники, которые можно составить друг из друга путём разрезания одного из них на одинаковые объекты и перекладывания. Например, если прямоугольник 4 на 1 нарезать на одинаковые части — квадраты 1 на 1, то из полученных маленьких квадратов можно составить один большой со стороной 2. Но это не более чем забавное свойство некоторых фигур и в геометрии фактически почти не используется.

Источник

Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Боковая панель

Навигация

Загрузки всякие

Связь

Содержание

Площадь. Равновеликие фигуры

Разрезанием на части и перекладыванием их можно любой многоугольник превратить в равновеликий ему квадрат.

Понятие равносоставленности лежит в основе «метода разбиения», применяемого для вычисления площадей многоугольников: параллелограмм «разрезанием и перекладыванием» сводят к прямоугольнику, треугольник — к параллелограмму, трапецию — к треугольнику.

Площадь параллелограмма равна произведению стороны на высоту, проведенную к этой стороне.

Достроим треугольник до прямоугольника. Площадь треугольника равна половине площади прямоугольника.

Проведем через середину боковой стороны трапеции прямую, параллельную второй боковой стороне. Площадь трапеции равна площади полученного параллелограмма.

Перекраивание трапеции в равносоставленный треугольник:

Пло­щадь тра­пе­ции с ос­но­ва­ни­я­ми длин a и b и дли­ной вы­со­ты h рав­на S=(a+b)/2•h. Убе­дить­ся в этом мож­но вос­поль­зо­вав­шись фор­му­лой для вы­чис­ле­ния пло­ща­ди тре­уголь­ни­ка. Для это­го необ­хо­ди­мо разре­зать тра­пе­цию на та­кие ча­сти, из ко­то­рых мож­но со­ста­вить треугольник.

Разре­жем тра­пе­цию вдоль ли­нии, со­еди­ня­ю­щей вер­ши­ну с се­ре­ди­ной проти­во­по­лож­ной бо­ко­вой сто­ро­ны. По­вер­нём от­ре­зан­ный тре­уголь­ник до того момен­та, ко­гда оба ос­но­ва­ния тра­пе­ции ока­жут­ся на од­ной прямой. Убедитесь, что две ча­сти бо­ко­вой сто­ро­ны при этом ля­гут на од­ну прямую, то есть, получится дей­стви­тель­но тре­уголь­ник.

Одна из сторон получив­ше­го­ся тре­уголь­ни­ка име­ет дли­ну, рав­ную сум­ме длин оснований трапе­ции, а дли­на вы­со­ты тре­уголь­ни­ка, про­ве­дён­ной к этой стороне, сов­пада­ет с вы­со­той тра­пе­ции.

Один из способов подсчё­та пло­ща­ди тре­уголь­ни­ка со­сто­ит в на­хож­де­нии половины произве­дения дли­ны сто­ро­ны на дли­ну вы­со­ты, опу­щен­ную на эту сторону. При­ме­нение это­го спо­со­ба и да­ёт при­выч­ную фор­му­лу площа­ди трапеции.

Модель мож­но сде­лать из доски толщиной около 10 мм. Для удобства демон­стра­ции две ча­сти, на которые она разрезает­ся, удобно со­еди­нять между собой при по­мо­щи маг­ни­тов.

Равносоставленность

Равновеликие многогранники не всегда являются равносоставленными. Так, например, куб и равновеликий ему правильный тетраэдр не являются равносоставленными — так называемая теорема Дена.

Источник

Что такое равновеликие фигуры (куб, квадрат, многоугольник)?

Какое определение? Что значит равновеликий треугольник, параллелепипед, прямоугольник, четырёхугольник, пятиугольник, шестиугольник, параллелограмм, трапеция, пирамида? Что это такое? Геометрия, математика, класс, школа.

А для фигур определение простое: равновеликими называются фигуры, имеющие равные площади.

Вы формулировку вопроса внимательно прочли?

Кстати, множества бывают не равновеликие, а равномощные, но это, подозреваю, выходит за рамки школьного курса.

В пространстве целых 4 возможных варианта расположения двух прямых:

1)Две прямые совпадают

2)Две прямые пересекаются в одной точке

3)Две прямые параллельны

(Прямые называются параллельными, если выполняется два условия:

они не имеют общих точек

и существует плоскость, содержащая обе эти прямые)

4)Две прямые скрещиваются

(Прямые называются скрещивающимися, если не существует плоскости, которая бы содержала обе эти прямые)

Надо отметить, что на плоскости возможны только 3 из этих 4 вариантов (всё кроме последнего). И, соответственно, определение параллельности в планиметрии (наука, изучающая свойства фигур на плоскости) звучит немного по-другому (без второго пункта).

Для наглядности возьмем прямоугольный треугольник с катетом 3 см и прилежащим к нему углом 60° градусов. Тогда гипотенузу можно найти по следующей формуле

y = 3/cos60° = 3/(1/2) = 6 см

y = 3/sin30° = 3/(1/2) = 6 см

Или вычислить сначала другой катет, а по нему найти гипотенузу

Один угол в прямоугольном треугольнике всегда 90 град., поэтому зная один из острых углов, всегда можно найти величину второго.

Значение длины катетов находится в зависимости от величины гипотенузы, коэффициентом между ними выступает синус или косинус угла, в зависимости от того, прилегающий это угол к катету или нет.

Рассмотрим случай, когда гипотенуза AB = 6см, один из углов между гипотенузой и катетом BC равен 60°. Нужно найти оба катета.

Тогда BC = AB*cos60° = AB*sin30° = 6*0,5 = 3 см

AC = AB*cos30° = AB*sin60° = 6*(√3/2) = 3√3 см

Проверяем правильность результатов

Итак, дан треугольник АВС, биссектриса СD перпендикулярна медиане АЕ. В этом случае тр-к АСЕ равнобедренный с основанием АЕ, поскольку биссектриса угла А является также и высотой (по условию АЕ перпендикулярно СD). Стало быть, АС = СЕ = ВС/2.

А далее не все так однозначно. Если гипотенузой является АВ, то площадь треугольника равна АС². Если же в заданном треугольнике ВС гипотенуза, то его площадь равна √3*АС²/2.

Опять же, в условии не оговорено, какая из сторон равна 30, поэтому возможны следующие варианты.

Надеюсь, в вычислениях нигде не напортачила.

Насколько я помню из школьных уроков геометрии, параллелепипед имеет шесть граней и их количество не зависит от размеров углов основания и граней. В качестве примера привожу скриншоты самого параллели пела и его, так сказать, «развёрнутого» вида.

Источник

РАВНОВЕЛИКИЕ И РАВНОСОСТАВЛЕННЫЕ ФИГУРЫ

Для , равновеликость означает равенство объемов; равносоставленность многогранников определяется аналогично с . Эти понятия обобщаются также на неевклидовы геометрии.

Площадь (многоугольника) есть функция s(M), удовлетворяющая следующим аксиомам:

(a) для любого многоугольника М;

(d) площадь квадрата, стороной которого является единица длины, равна 1.

С помощью этих аксиом определяется площадь прямоугольника.

Теорема. Если два многоугольника равносостав-лены, то они равновелики.

На этой теореме основан метод разбиения, известный еще Евклиду: для вычисления площади многоугольника пытаются разбить его на конечное число частей, из к-рых можно составить фигуру известной площади. Напр., параллелограмм равносоставлен с прямоугольником, имеющим то же основание и ту же высоту (см. рис. 1); треугольник равносоставлен с параллелограммом, имеющим то же основание и вдвое меньшую высоту (см. рис. 2).

Таким образом, вся теория площадей многоугольников может быть построена на основе теоремы о площади прямоугольника.

Существует и другой способ вычисления площадей, основанный на аксиомах (b) и (g),- метод дополнения. Два многоугольника наз. равнодополняемыми, если их можно дополнить соответственно конгруэнтными частями так, чтобы получились конгруэнтные многоугольники.

Напр., параллелограмм и прямоугольник с одинаковыми основаниями и одинаковыми высотами равнодополняемы (см. рис. 3) и потому равновелики.

В евклидовой плоскости два многоугольника в том и только в том случае равновелики, если они равносоставлены (а также если они равнодополняемы). Аналогичная теорема справедлива в плоскости Лобачевского и в эллиптической плоскости. Напротив, в неархимедовой геометрии эквивалентны лишь равновеликость и равнодополняемость; равновеликость же им не эквивалентна.

Два равновеликих многогранника в том и только в том случае Г-равносоставлены, если для каждого флангового инварианта Н ф его значения на этих многогранниках одинаковы.

Многогранник в том и только в том случае, если Н ф ( М п )=0 для всех флаговых инвариантов H Ф порядков, меньших k.

Пусть при гомотетии с коэффициентом l>0 объем n-мерного многогранника увеличивается в l n раз. Если принять это утверждение как аксиому, то объем любого многогранника может быть найден методом разбиения.

Лит.:[1] Проблемы Гильберта, М., 1969; [2] Болтянский В. Г., Равновеликие и равносоставленные фигуры, М., 1956; [3] его же, Третья проблема Гильберта, М., 1977; [4] Xадвигер Г., Лекции об объеме, площади поверхности и изопериметрии, пер. с нем., 1966; [5] Iessen В., Тhorup A., «Math. Scand.», 1978, v. 43, fasc. 2, p. 211-40.

Источник