Многогранники. Призма. Паралелепіпед

Призма й паралелепіпед — найпростіші просторові тіла, і водночас саме з них починаються типові задачі НМТ зі стереометрії: об'єм коробки, площа поверхні, діагональ. Формул тут небагато, а плутанина зазвичай виникає в одному місці — між площею поверхні (скільки матеріалу піде на обгортку) та об'ємом (скільки всередину поміститься). Тримай цю різницю в голові, і тема стане механічною.

Многогранники

Многогранник — тіло, обмежене плоскими многокутниками (гранями). Сторони граней — ребра, а їхні кінці — вершини. Для опуклого многогранника виконується теорема Ейлера:

ВР+Г=2,В - Р + Г = 2,

де ВВ — кількість вершин, РР — ребер, ГГ — граней.

Перевіримо теорему на кубі: у нього 88 вершин, 1212 ребер і 66 граней, отже 812+6=28 - 12 + 6 = 2. ✅ Для чотирикутної піраміди: 55 вершин, 88 ребер, 55 граней — 58+5=25 - 8 + 5 = 2. Формула зручна саме тим, що дозволяє відновити третю величину, коли дві інші відомі.

Приклад 1 — теорема Ейлера

Опуклий многогранник має 1212 вершин і 1818 ребер. Скільки в нього граней?

  1. Записуємо теорему: ВР+Г=2В - Р + Г = 2;
  2. підставляємо: 1218+Г=212 - 18 + Г = 2;
  3. звідси Г=2+6=8Г = 2 + 6 = 8.

Відповідь: 88 граней.

Призма

Призма — многогранник, дві грані якого (основи) — рівні многокутники в паралельних площинах, а решта граней (бічні) — паралелограми. У прямій призмі бічні ребра перпендикулярні до основ, у правильній — основа є правильним многокутником.

Об'єм і бічна поверхня призми:

V=Sоснh,Sбік=Pоснh,V = S_{\text{осн}}\cdot h, \qquad S_{\text{бік}} = P_{\text{осн}}\cdot h,

де hh — висота, PоснP_{\text{осн}} — периметр основи. Повна поверхня — S=2Sосн+SбікS = 2S_{\text{осн}} + S_{\text{бік}}.

Обидві формули легко запам'ятати через розгортку: бічна поверхня прямої призми — це один великий прямокутник, у якого одна сторона дорівнює периметру основи, а друга — висоті. Точно так само влаштована бічна поверхня циліндра, тільки там периметр основи — це довжина кола 2πR2\pi R.

Приклад 2 — правильна трикутна призма

Основа правильної трикутної призми — рівносторонній трикутник зі стороною 44, висота призми — 1010. Знайдемо об'єм і бічну поверхню.

  1. Площа основи (рівносторонній трикутник): Sосн=a234=1634=43S_{\text{осн}} = \dfrac{a^2\sqrt{3}}{4} = \dfrac{16\sqrt{3}}{4} = 4\sqrt{3};
  2. об'єм: V=4310=40369,3V = 4\sqrt{3} \cdot 10 = 40\sqrt{3} \approx 69{,}3;
  3. периметр основи: P=34=12P = 3 \cdot 4 = 12;
  4. бічна поверхня: Sбік=1210=120S_{\text{бік}} = 12 \cdot 10 = 120.

Відповідь: V=403V = 40\sqrt{3}, Sбік=120S_{\text{бік}} = 120.

Паралелепіпед

Паралелепіпед — призма, основа якої паралелограм (усі 6 граней — паралелограми). Найважливіший випадок — прямокутний паралелепіпед із вимірами a,b,ca, b, c:

V=abc,S=2(ab+bc+ca),d=a2+b2+c2.V = abc, \qquad S = 2(ab + bc + ca), \qquad d = \sqrt{a^2+b^2+c^2}.

Формула поверхні відображає будову коробки: у неї три пари однакових граней — по дві зі сторонами a×ba \times b, b×cb \times c і c×ac \times a. Звідси подвоєна сума трьох добутків.

Формула діагоналі — це теорема Піфагора, застосована двічі: спершу знаходимо діагональ основи a2+b2\sqrt{a^2 + b^2}, а потім разом із висотою cc дістаємо просторову діагональ.

Куб — частковий випадок

Куб — це прямокутний паралелепіпед із рівними вимірами (a=b=ca=b=c): V=a3V=a^3, S=6a2S=6a^2, діагональ d=a3d=a\sqrt3.

Приклад 3 — виміри коробки

Виміри прямокутного паралелепіпеда дорівнюють 22, 33 і 66. Знайдемо об'єм, повну поверхню й діагональ.

  1. Об'єм: V=236=36V = 2 \cdot 3 \cdot 6 = 36;
  2. поверхня: S=2(23+36+62)=2(6+18+12)=72S = 2(2\cdot3 + 3\cdot6 + 6\cdot2) = 2(6 + 18 + 12) = 72;
  3. діагональ: d=22+32+62=4+9+36=49=7d = \sqrt{2^2 + 3^2 + 6^2} = \sqrt{4 + 9 + 36} = \sqrt{49} = 7.

Відповідь: V=36V = 36, S=72S = 72, d=7d = 7. Трійка (2,3,6,7)(2, 3, 6, 7) дає цілу діагональ — такі «зручні» набори часто беруть для задач НМТ.

Типові помилки

  • Плутають об'єм із площею поверхні. Об'єм вимірюється в кубічних одиницях (см³), поверхня — у квадратних (см²). Якщо одиниці не збігаються з питанням задачі, формулу взято не ту.
  • Забувають подвоєння у формулі поверхні. Граней шість, а не три.
  • Беруть діагональ основи замість просторової. Діагональ грані — це a2+b2\sqrt{a^2 + b^2}, а діагональ усього паралелепіпеда — a2+b2+c2\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}.
  • Застосовують Sбік=PhS_{\text{бік}} = P h до похилої призми. Ця формула справедлива для прямої призми, де бічні ребра перпендикулярні до основ.
  • Забувають додати дві основи в повній поверхні призми.

Перевір себе

Розібрані приклади

Так виглядають задачі цієї теми в тренажері. Тут вони розібрані повністю — у самому тренажері числа в умові щоразу нові, а розв’язання відкривається після вашої відповіді.

  1. Приклад 1. Об’єм паралелепіпеда

    Виміри прямокутного паралелепіпеда 12,4,3. 12, 4, 3. Знайдіть об'єм.

    Відповідь: 144144

    Розв'язання: V=1243=144V = 12\cdot4\cdot3 = 144
  2. Приклад 2. Об’єм призми

    Площа основи призми 7, 7, висота 9. 9. Знайдіть об'єм.

    Відповідь: 6363

    Розв'язання: V=79=63V = 7\cdot9 = 63
  3. Приклад 3. Площа поверхні призми

    Пряма призма: основа — прямокутник 3×4, 3\times4, висота 6. 6. Знайдіть площу поверхні.

    Відповідь: 108108

    Розв'язання: S=212+146=24+84=108S = 2\cdot12 + 14\cdot6 = 24 + 84 = 108