Піраміда

Піраміда — та тема, де стереометрія найчастіше зводиться до планіметрії. Сама фігура просторова, але всі її невідомі розміри лежать у двох-трьох прямокутних трикутниках, які треба навчитися бачити. Опанувавши цей прийом, ти закриваєш більшість задач НМТ про піраміду однією теоремою Піфагора — без жодних спеціальних формул.

Основні поняття

Піраміда — многогранник, одна грань якого (основа) — многокутник, а решта граней (бічні) — трикутники зі спільною вершиною. Відрізок від вершини піраміди перпендикулярно до площини основи — висота hh.

Піраміду називають правильною, якщо її основа — правильний многокутник, а вершина проєктується в центр основи. У правильній піраміді всі бічні ребра рівні, а всі бічні грані — рівні рівнобедрені трикутники. Висота бічної грані (від вершини до середини сторони основи) — апофема ll.

Слово «правильна» тут робить усю роботу: саме воно гарантує, що основа висоти потрапляє рівно в центр основи, а отже, відстані від цієї точки до сторін і до вершин основи однакові. Без цієї умови задача, як правило, не має однозначної відповіді.

Об'єм

Об'єм будь-якої піраміди втричі менший за об'єм призми з такою самою основою й висотою:

V=13Sоснh.V = \dfrac{1}{3}\,S_{\text{осн}}\cdot h.

Множник 13\dfrac{1}{3} стосується будь-якої піраміди — з трикутною, чотирикутною чи шестикутною основою. Змінюється лише спосіб обчислення SоснS_{\text{осн}}: для квадрата це a2a^2, для правильного трикутника — a234\dfrac{a^2\sqrt{3}}{4}, для правильного шестикутника — 3a232\dfrac{3a^2\sqrt{3}}{2}.

Приклад 1 — об'єм правильної чотирикутної піраміди

Сторона основи правильної чотирикутної піраміди дорівнює 66, висота — 1010. Знайдемо об'єм.

  1. Основа — квадрат: Sосн=62=36S_{\text{осн}} = 6^2 = 36;
  2. підставляємо у формулу: V=133610V = \dfrac{1}{3} \cdot 36 \cdot 10;
  3. рахуємо: V=120V = 120.

Відповідь: 120120.

Апофема, ребро й поверхня

У правильній піраміді ключові відрізки пов'язані теоремою Піфагора. Для правильної чотирикутної піраміди зі стороною основи aa:

l=h2+(a2)2 (апофема),e=l2+(a2)2 (бічне ребро).l = \sqrt{h^2 + \left(\tfrac{a}{2}\right)^2} \ (\text{апофема}), \qquad e = \sqrt{l^2 + \left(\tfrac{a}{2}\right)^2} \ (\text{бічне ребро}).

Бічна поверхня правильної піраміди — половина добутку периметра основи на апофему:

Sбік=12Pоснl.S_{\text{бік}} = \dfrac{1}{2}\,P_{\text{осн}}\cdot l.

Три прямокутні трикутники

Висота hh, половина сторони a2\tfrac{a}{2} й апофема ll утворюють прямокутний трикутник (звідси апофема). Апофема, a2\tfrac{a}{2} і бічне ребро ee — ще один. Майже всі задачі про піраміду зводяться до теореми Піфагора в цих трикутниках.

Формула бічної поверхні має ту саму природу, що й площа правильного многокутника: бічна поверхня складається з рівних трикутників, у кожного основа — сторона основи піраміди, а висота — апофема. Сума їхніх площ і дає 12Pl\dfrac{1}{2}P l.

Апофема — не висота піраміди

Апофема ll лежить на бічній грані й завжди довша за висоту hh. Підставляти висоту у формулу бічної поверхні не можна — це найпоширеніша помилка теми. Орієнтир: у прямокутному трикутнику з катетами hh і a2\tfrac{a}{2} апофема є гіпотенузою.

Приклад 2 — апофема й бічна поверхня

У правильній чотирикутній піраміді сторона основи дорівнює 1212, висота — 88. Знайдемо апофему й бічну поверхню.

  1. Половина сторони основи: 122=6\dfrac{12}{2} = 6;
  2. апофема як гіпотенуза: l=82+62=100=10l = \sqrt{8^2 + 6^2} = \sqrt{100} = 10;
  3. периметр основи: P=412=48P = 4 \cdot 12 = 48;
  4. бічна поверхня: Sбік=124810=240S_{\text{бік}} = \dfrac{1}{2} \cdot 48 \cdot 10 = 240.

Відповідь: апофема 1010, бічна поверхня 240240.

Приклад 3 — бічне ребро

Для тієї самої піраміди (a=12a = 12, h=8h = 8, l=10l = 10) знайдемо бічне ребро.

  1. Бічне ребро — гіпотенуза трикутника з катетами l=10l = 10 і a2=6\dfrac{a}{2} = 6;
  2. отже e=102+62=136=23411,66e = \sqrt{10^2 + 6^2} = \sqrt{136} = 2\sqrt{34} \approx 11{,}66.

Перевірка на здоровий глузд: ребро має бути довшим за апофему (11,66>1011{,}66 > 10) — так і є, адже апофема веде до середини сторони, а ребро — до дальшої від центра вершини. ✅

Типові помилки

  • Забувають множник 13\dfrac{1}{3} в об'ємі. Швидка перевірка: об'єм піраміди має бути втричі меншим за об'єм призми з тими самими основою й висотою.
  • Підставляють висоту піраміди замість апофеми у формулу бічної поверхні.
  • Беруть цілу сторону основи замість половини в прямокутних трикутниках. І апофема, і бічне ребро спираються саме на a2\dfrac{a}{2}.
  • Плутають бічну поверхню з повною. Повна поверхня — це бічна плюс площа основи.
  • Застосовують формули правильної піраміди до довільної. Рівність бічних ребер і граней виконується лише тоді, коли піраміда правильна.

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 піраміди

    Площа основи піраміди 6, 6, висота 8. 8. Знайдіть об'єм.

    Відповідь: 1616

    Розв'язання: V=1368=483=16V = \dfrac{1}{3}\cdot 6\cdot 8 = \dfrac{48}{3} = 16
  2. Приклад 2. Апофема піраміди

    Правильна чотирикутна піраміда: сторона основи 18, 18, висота 12. 12. Знайдіть апофему.

    Відповідь: 1515

    Розв'язання: l=122+92=144+81=225=15l = \sqrt{12^2 + 9^2} = \sqrt{144 + 81} = \sqrt{225} = 15
  3. Приклад 3. Бічна поверхня піраміди

    Правильна чотирикутна піраміда: сторона основи 4, 4, апофема 8. 8. Знайдіть бічну поверхню.

    Відповідь: 6464

    Розв'язання: Sбік=12448=248=64S_{\text{бік}} = \dfrac{1}{2}\cdot 4\cdot4\cdot8 = 2\cdot4\cdot8 = 64