mateinfo.roANDREI OCTAVIAN DOBRE20 ani20ANI

Poliedre – teorie, formule și exemple rezolvate

Evaluarea Națională – clasa a VIII-a · Geometrie. Poliedrele din programa de Evaluare Națională – cubul, paralelipipedul dreptunghic, prismele regulate, piramidele regulate, tetraedrul regulat și trunchiul de piramidă: elemente, triunghiurile dreptunghice „ascunse” în ele, diagonale, arii și volume, cu exemple rezolvate.

16.1Cubul

Definiție

Cubul \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) este paralelipipedul dreptunghic cu toate muchiile congruente; are 6 fețe pătrate congruente, 12 muchii de lungime \(l\) și 8 vârfuri. Notații: \(\mathcal{A}_l\) – aria laterală, \(\mathcal{A}_t\) – aria totală, \(\mathcal{V}\) – volumul.

d = l√3l√2lABCDA′B′C′D′

Diagonala unei fețe: \(l\sqrt2\)Diagonala cubului: \(d=l\sqrt3\)

\(\mathcal{A}_l=4l^2\)\(\mathcal{A}_t=6l^2\)\(\mathcal{V}=l^3\)

Observație

Diagonala cubului se obține din triunghiul dreptunghic \(A^{\prime}AC\): \(A^{\prime}C^2=A{A^{\prime}}^{2}+AC^2=l^2+2l^2=3l^2\). Cele 4 diagonale ale cubului sunt congruente și se intersectează în centrul cubului.

Exemplul 16.1

Aria totală a unui cub este \(150\ \text{cm}^2\). Calculați muchia, volumul și diagonala cubului.
Rezolvare

\(6l^2=150\Rightarrow l^2=25\Rightarrow l=5\) cm. Atunci \(\mathcal{V}=5^3=125\ \text{cm}^3\) și \(d=5\sqrt3\) cm.

Exemplul 16.2

Diagonala unui cub are \(6\sqrt3\) dm. Câți litri de apă încap în cub?
Rezolvare

\(l\sqrt3=6\sqrt3\Rightarrow l=6\) dm, deci \(\mathcal{V}=6^3=216\ \text{dm}^3=216\) litri (\(1\ \text{dm}^3=1\ \text{L}\)).

↑ Cuprins

16.2Paralelipipedul dreptunghic

Definiție

Paralelipipedul dreptunghic \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) are toate fețele dreptunghiuri. Dimensiunile lui sunt lungimea \(L\), lățimea \(l\) și înălțimea \(h\). Fețele opuse sunt congruente și paralele.

LlhdABCDA′B′C′D′

Diagonala: \[d=\sqrt{L^2+l^2+h^2}\]

\(\mathcal{A}_l=2(L+l)\cdot h\)\(\mathcal{A}_t=2(Ll+Lh+lh)\)\(\mathcal{V}=L\cdot l\cdot h\)

Unități de măsură

\(1\ \text{dm}^3=1\ \text{L}\), \(1\ \text{cm}^3=1\ \text{mL}\), \(1\ \text{m}^3=1000\ \text{L}\). Transformați toate dimensiunile în aceeași unitate înainte de calcul.

Exemplul 16.3

Paralelipipedul dreptunghic \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) are \(AB=12\) cm, \(BC=4\) cm și \(AA^{\prime}=3\) cm. Calculați diagonala, aria totală și volumul.
Rezolvare
\[d=\sqrt{144+16+9}=\sqrt{169}=13\ \text{cm},\qquad \mathcal{A}_t=2(48+36+12)=192\ \text{cm}^2,\qquad \mathcal{V}=12\cdot4\cdot3=144\ \text{cm}^3.\]

Exemplul 16.4

Un acvariu în formă de paralelipiped dreptunghic are dimensiunile de \(50\) cm, \(30\) cm și \(40\) cm (înălțimea). Câți litri de apă sunt în acvariu, dacă apa ocupă \(\dfrac34\) din înălțime?
Rezolvare

Înălțimea apei: \(\dfrac34\cdot40=30\) cm. Volumul apei: \(50\cdot30\cdot30=45\,000\ \text{cm}^3=45\ \text{dm}^3=45\) litri.

↑ Cuprins

16.3Prisma dreaptă. Prisma triunghiulară regulată

Definiții

Prisma dreaptă are muchiile laterale perpendiculare pe planele bazelor; fețele laterale sunt dreptunghiuri, iar înălțimea \(h\) este egală cu muchia laterală.

Prisma regulată este o prismă dreaptă care are baza un poligon regulat (triunghi echilateral, pătrat, hexagon regulat).

Pentru orice prismă dreaptă (\(P_b\) – perimetrul bazei, \(\mathcal{A}_b\) – aria bazei):

\(\mathcal{A}_l=P_b\cdot h\)\(\mathcal{A}_t=\mathcal{A}_l+2\mathcal{A}_b\)\(\mathcal{V}=\mathcal{A}_b\cdot h\)

Prisma triunghiulară regulată

MlhABCA′B′C′

Baza este triunghiul echilateral \(ABC\) de latură \(l\); înălțimea bazei \(BM=\dfrac{l\sqrt3}{2}\).

\(\mathcal{A}_b=\dfrac{l^2\sqrt3}{4}\)\(\mathcal{A}_l=3l\cdot h\)\(\mathcal{A}_t=3lh+\dfrac{l^2\sqrt3}{2}\)\(\mathcal{V}=\dfrac{l^2\sqrt3}{4}\cdot h\)

Exemplul 16.5

Prisma triunghiulară regulată \(ABCA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}\) are \(AB=6\) cm și \(AA^{\prime}=10\) cm. Calculați aria laterală, aria totală, volumul și lungimea segmentului \(A^{\prime}B\).
Rezolvare

\(\mathcal{A}_b=\dfrac{36\sqrt3}{4}=9\sqrt3\ \text{cm}^2\), \(\mathcal{A}_l=3\cdot6\cdot10=180\ \text{cm}^2\), \(\mathcal{A}_t=180+18\sqrt3=18(10+\sqrt3)\ \text{cm}^2\).

\(\mathcal{V}=9\sqrt3\cdot10=90\sqrt3\ \text{cm}^3\). Fața \(ABB^{\prime}A^{\prime}\) este dreptunghi, deci \(A^{\prime}B=\sqrt{A{A^{\prime}}^{2}+AB^2}=\sqrt{100+36}=\sqrt{136}=2\sqrt{34}\) cm.

↑ Cuprins

16.4Prisma patrulateră regulată

Definiție

Prisma patrulateră regulată \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) are bazele pătrate de latură \(l\) și muchiile laterale perpendiculare pe baze, de lungime \(h\). Este un paralelipiped dreptunghic cu \(L=l\).

lhABCDA′B′C′D′

Diagonala: \(d=\sqrt{2l^2+h^2}\)Diagonala bazei: \(l\sqrt2\)

\(\mathcal{A}_b=l^2\)\(\mathcal{A}_l=4l\cdot h\)\(\mathcal{A}_t=4lh+2l^2\)\(\mathcal{V}=l^2\cdot h\)

Prisma hexagonală regulată

Baza este un hexagon regulat de latură \(l\) (format din 6 triunghiuri echilaterale): \(P_b=6l\), \(\mathcal{A}_b=\dfrac{3l^2\sqrt3}{2}\), deci \(\mathcal{A}_l=6lh\) și \(\mathcal{V}=\dfrac{3l^2\sqrt3}{2}\cdot h\).

Exemplul 16.6

Prisma patrulateră regulată \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) are \(AB=4\) cm și \(AA^{\prime}=7\) cm. Calculați diagonala \(B^{\prime}D\), aria totală și volumul prismei.
Rezolvare

\(BD=4\sqrt2\) cm, iar \(\triangle B^{\prime}BD\) este dreptunghic în \(B\): \(B^{\prime}D=\sqrt{49+32}=\sqrt{81}=9\) cm.

\[\mathcal{A}_t=4\cdot4\cdot7+2\cdot16=144\ \text{cm}^2,\qquad \mathcal{V}=16\cdot7=112\ \text{cm}^3.\]

↑ Cuprins

16.5Piramida regulată – elemente

Definiție

Piramida regulată are baza un poligon regulat, iar piciorul înălțimii este centrul \(O\) al bazei. Muchiile laterale sunt congruente, iar fețele laterale sunt triunghiuri isoscele congruente.

  • \(h=VO\) – înălțimea piramidei;
  • \(a_p=VM\) – apotema piramidei (înălțimea unei fețe laterale, \(M\) – mijlocul unei laturi a bazei);
  • \(a_b=OM\) – apotema bazei (raza cercului înscris în bază);
  • \(R=OB\) – raza cercului circumscris bazei; \(m=VB\) – muchia laterală.
OMhapABCDV

Triunghiurile dreptunghice din piramida regulată:

\(\triangle VOM:\ a_p^2=h^2+a_b^2\)\(\triangle VOB:\ m^2=h^2+R^2\)\(\triangle VMB:\ m^2=a_p^2+\left(\dfrac{l}{2}\right)^2\)

Arii și volum (\(P_b\) – perimetrul bazei):

\(\mathcal{A}_l=\dfrac{P_b\cdot a_p}{2}\)\(\mathcal{A}_t=\mathcal{A}_l+\mathcal{A}_b\)\(\mathcal{V}=\dfrac{\mathcal{A}_b\cdot h}{3}\)

Baza (latura \(l\)) \(\mathcal{A}_b\) \(a_b\) \(R\)
triunghi echilateral \(\dfrac{l^2\sqrt3}{4}\) \(\dfrac{l\sqrt3}{6}\) \(\dfrac{l\sqrt3}{3}\)
pătrat \(l^2\) \(\dfrac{l}{2}\) \(\dfrac{l\sqrt2}{2}\)
hexagon regulat \(\dfrac{3l^2\sqrt3}{2}\) \(\dfrac{l\sqrt3}{2}\) \(l\)

Atenție

Nu confundați apotema piramidei \(a_p\) (pe o față laterală) cu apotema bazei \(a_b\) (în planul bazei) și nici apotema piramidei cu muchia laterală. Aria laterală se calculează cu \(a_p\), iar volumul cu înălțimea \(h\).

Exemplul 16.7

O piramidă regulată are muchia laterală de 10 cm și apotema de 8 cm. Calculați latura bazei.
Rezolvare

În \(\triangle VMB\), dreptunghic în \(M\): \(\left(\dfrac{l}{2}\right)^2=m^2-a_p^2=100-64=36\), deci \(\dfrac{l}{2}=6\) și \(l=12\) cm.

↑ Cuprins

16.6Piramida triunghiulară regulată. Tetraedrul regulat

Piramida triunghiulară regulată

Baza \(ABC\) este triunghi echilateral de latură \(l\), iar \(O\) este centrul ei (punctul de intersecție al medianelor, aflat la \(\dfrac23\) de vârf pe fiecare mediană): \(AO=R=\dfrac{l\sqrt3}{3}\), \(OM=a_b=\dfrac{l\sqrt3}{6}\).

OMABCV

\(\mathcal{A}_b=\dfrac{l^2\sqrt3}{4}\)\(\mathcal{A}_l=\dfrac{3l\cdot a_p}{2}\)\(\mathcal{V}=\dfrac{l^2\sqrt3}{4}\cdot\dfrac{h}{3}=\dfrac{l^2h\sqrt3}{12}\)

Exemplul 16.8

Piramida triunghiulară regulată \(VABC\) are \(AB=6\sqrt3\) cm și înălțimea \(VO=4\) cm. Calculați apotema piramidei, muchia laterală, aria totală și volumul.
Rezolvare

\(a_b=OM=\dfrac{6\sqrt3\cdot\sqrt3}{6}=3\) cm, \(R=OA=\dfrac{6\sqrt3\cdot\sqrt3}{3}=6\) cm.

\(a_p=VM=\sqrt{16+9}=5\) cm;\(VA=\sqrt{16+36}=\sqrt{52}=2\sqrt{13}\) cm.

\(\mathcal{A}_b=\dfrac{108\sqrt3}{4}=27\sqrt3\ \text{cm}^2\), \(\mathcal{A}_l=\dfrac{3\cdot6\sqrt3\cdot5}{2}=45\sqrt3\ \text{cm}^2\), deci \(\mathcal{A}_t=72\sqrt3\ \text{cm}^2\).

\[\mathcal{V}=\dfrac{27\sqrt3\cdot4}{3}=36\sqrt3\ \text{cm}^3.\]

Tetraedrul regulat

Definiție

Tetraedrul regulat are toate cele 6 muchii congruente (de lungime \(l\)); toate cele 4 fețe sunt triunghiuri echilaterale. Oricare față poate fi considerată bază.

OMABCD

\(h=\dfrac{l\sqrt6}{3}\)\(a_p=\dfrac{l\sqrt3}{2}\)\(\mathcal{A}_t=4\cdot\dfrac{l^2\sqrt3}{4}=l^2\sqrt3\)\(\mathcal{V}=\dfrac{l^3\sqrt2}{12}\)

De unde vine înălțimea?

În \(\triangle DOA\), dreptunghic în \(O\): \(h^2=l^2-\left(\dfrac{l\sqrt3}{3}\right)^2=l^2-\dfrac{l^2}{3}=\dfrac{2l^2}{3}\), deci \(h=\dfrac{l\sqrt2}{\sqrt3}=\dfrac{l\sqrt6}{3}\).

Exemplul 16.9

Tetraedrul regulat \(ABCD\) are muchia de 6 cm. Calculați aria totală, înălțimea și volumul.
Rezolvare
\[\mathcal{A}_t=36\sqrt3\ \text{cm}^2,\qquad h=\dfrac{6\sqrt6}{3}=2\sqrt6\ \text{cm},\qquad \mathcal{V}=\dfrac{216\sqrt2}{12}=18\sqrt2\ \text{cm}^3.\]

↑ Cuprins

16.7Piramida patrulateră regulată

Definiție

Baza \(ABCD\) este pătrat de latură \(l\), iar \(O\) este centrul pătratului (intersecția diagonalelor): \(OM=a_b=\dfrac{l}{2}\), \(OA=R=\dfrac{l\sqrt2}{2}\).

OMABCDV

\(\mathcal{A}_b=l^2\)\(\mathcal{A}_l=\dfrac{4l\cdot a_p}{2}=2l\cdot a_p\)\(\mathcal{A}_t=2l\cdot a_p+l^2\)\(\mathcal{V}=\dfrac{l^2\cdot h}{3}\)

Exemplul 16.10

Piramida patrulateră regulată \(VABCD\) are \(AB=6\) cm și înălțimea \(VO=4\) cm. Calculați apotema, aria laterală, aria totală, volumul și muchia laterală.
Rezolvare

\(OM=3\) cm, deci \(a_p=VM=\sqrt{16+9}=5\) cm.

\(\mathcal{A}_l=2\cdot6\cdot5=60\ \text{cm}^2\), \(\mathcal{A}_t=60+36=96\ \text{cm}^2\), \(\mathcal{V}=\dfrac{36\cdot4}{3}=48\ \text{cm}^3\).

\(OA=3\sqrt2\) cm, deci \(VA=\sqrt{16+18}=\sqrt{34}\) cm.

Exemplul 16.11

Toate muchiile piramidei patrulatere regulate \(VABCD\) au 6 cm. Calculați înălțimea și volumul piramidei.
Rezolvare

Fețele laterale sunt triunghiuri echilaterale, deci \(a_p=\dfrac{6\sqrt3}{2}=3\sqrt3\) cm. Din \(\triangle VOM\): \(h=\sqrt{27-9}=\sqrt{18}=3\sqrt2\) cm.

\[\mathcal{V}=\dfrac{36\cdot3\sqrt2}{3}=36\sqrt2\ \text{cm}^3.\]

↑ Cuprins

16.8Trunchiul de piramidă regulată

Definiție

Secționând o piramidă regulată cu un plan paralel cu baza, se obțin o piramidă mică (asemenea cu cea inițială) și un trunchi de piramidă regulată. Trunchiul are două baze – poligoane regulate asemenea, situate în plane paralele (baza mare, de latură \(L\), și baza mică, de latură \(l\)) – iar fețele laterale sunt trapeze isoscele congruente.

  • \(h=OO^{\prime}\) – înălțimea (distanța dintre baze);
  • \(a_p=MM^{\prime}\) – apotema trunchiului (înălțimea unei fețe laterale);
  • \(a_B=OM\), \(a_b=O^{\prime}M^{\prime}\) – apotemele celor două baze.
OO′MM′ABCDA′B′C′D′

\(\mathcal{A}_l=\dfrac{(P_B+P_b)\cdot a_p}{2}\)\(\mathcal{A}_t=\mathcal{A}_l+\mathcal{A}_B+\mathcal{A}_b\)

\[\mathcal{V}=\dfrac{h}{3}\left(\mathcal{A}_B+\mathcal{A}_b+\sqrt{\mathcal{A}_B\cdot\mathcal{A}_b}\right)\]

\(a_p^2=h^2+(a_B-a_b)^2\) (trapezul dreptunghic \(OO^{\prime}M^{\prime}M\))\(m^2=a_p^2+\left(\dfrac{L-l}{2}\right)^2\) (fața laterală)

OMO′M′PhapaB − ab

Secțiunea paralelă cu baza

Dacă planul de secțiune se află la distanța \(h^{\prime}\) de vârf, iar înălțimea piramidei este \(H\), piramida mică este asemenea cu cea mare cu raportul \(k=\dfrac{h^{\prime}}{H}=\dfrac{l}{L}\). Atunci raportul ariilor bazelor este \(k^2\), iar raportul volumelor este \(k^3\). Volumul trunchiului se mai poate calcula ca diferență: \(\mathcal{V}_{\text{trunchi}}=\mathcal{V}_{\text{piramida mare}}-\mathcal{V}_{\text{piramida mică}}\).

Exemplul 16.12

Un trunchi de piramidă patrulateră regulată \(ABCDA^{\prime}B^{\prime}C^{\prime}D^{\prime}\) are \(AB=10\) cm, \(A^{\prime}B^{\prime}=4\) cm și înălțimea de 4 cm. Calculați apotema, aria laterală, aria totală și volumul trunchiului.
Rezolvare

\(a_B=5\) cm, \(a_b=2\) cm, deci \(a_p=\sqrt{4^2+(5-2)^2}=\sqrt{25}=5\) cm.

\(\mathcal{A}_l=\dfrac{(40+16)\cdot5}{2}=140\ \text{cm}^2\), \(\mathcal{A}_t=140+100+16=256\ \text{cm}^2\).

\[\mathcal{V}=\dfrac43\left(100+16+\sqrt{1600}\right)=\dfrac43\cdot156=208\ \text{cm}^3.\]

Exemplul 16.13

O piramidă regulată are înălțimea de 12 cm și volumul de \(270\ \text{cm}^3\). Ea se secționează cu un plan paralel cu baza, dus la 4 cm de vârf. Calculați volumul piramidei mici și volumul trunchiului obținut.
Rezolvare

Raportul de asemănare: \(k=\dfrac{4}{12}=\dfrac13\), deci \(\dfrac{\mathcal{V}_{\text{mică}}}{\mathcal{V}}=k^3=\dfrac{1}{27}\).

\[\mathcal{V}_{\text{mică}}=\dfrac{270}{27}=10\ \text{cm}^3,\qquad \mathcal{V}_{\text{trunchi}}=270-10=260\ \text{cm}^3.\]

Tabel recapitulativ

Corpul Aria laterală Aria totală Volumul
cub (muchia \(l\)) \(4l^2\) \(6l^2\) \(l^3\)
paralelipiped dreptunghic \(2(L+l)h\) \(2(Ll+Lh+lh)\) \(Llh\)
prismă dreaptă \(P_b\cdot h\) \(\mathcal{A}_l+2\mathcal{A}_b\) \(\mathcal{A}_b\cdot h\)
piramidă regulată \(\dfrac{P_b\cdot a_p}{2}\) \(\mathcal{A}_l+\mathcal{A}_b\) \(\dfrac{\mathcal{A}_b\cdot h}{3}\)
tetraedru regulat \(\dfrac{3l^2\sqrt3}{4}\) \(l^2\sqrt3\) \(\dfrac{l^3\sqrt2}{12}\)
trunchi de piramidă regulată \(\dfrac{(P_B+P_b)\cdot a_p}{2}\) \(\mathcal{A}_l+\mathcal{A}_B+\mathcal{A}_b\) \(\dfrac{h}{3}\left(\mathcal{A}_B+\mathcal{A}_b+\sqrt{\mathcal{A}_B\mathcal{A}_b}\right)\)

↑ Cuprins

Rescris și completat după Breviar teoretic cu exemple concrete pentru Evaluarea Națională, prof. Ignătescu Viorel Ovidiu (Revista Mateinfo.ro, 2010).