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正方稜錐


J01
SquarePyramid
J01Net

正方稜錐是以正方形為底面的稜錐。它是一個五面體

直立正方稜錐的稜長 e斜高 s,底邊邊長為 a,高度為 h,分別為

e=sqrt(h^2+1/2a^2)
(1)
s=sqrt(h^2+1/4a^2).
(2)

相應的表面積體積

S=a(a+sqrt(a^2+4h^2))
(3)
V=1/3a^2h.
(4)
SquarePyramidCube

在特殊情況 h=a/2 下,正方稜錐的體積可以立即從上面所示的立方體解剖中找到,得到

 V=1/6a^3.
(5)

如果正方稜錐的四個三角形面是等邊三角形,使得正方稜錐的所有稜長都相等,那麼這個直立正方稜錐是被稱為約翰遜多面體 J_1 的多面體。

稜長為 a 的正方稜錐 J_1 的高度為

 h=1/2sqrt(2)a,
(6)

因此,稜長和斜高為

e=a
(7)
s=1/2sqrt(3)a.
(8)

因此,表面積和體積為

S=(1+sqrt(3))a^2
(9)
V=1/6sqrt(2)a^3.
(10)
PyramidSphere

考慮將一個半球放置在正方稜錐的底面上(底邊長 a,高 h)。此外,假設半球與四個頂點稜線相切。那麼,位於稜錐內部的半球體積是多少 (Cipra 1993)?

從圖 (a) 中,底面的外接圓半徑a/sqrt(2)。圖 (b) 顯示了穿過稜錐頂點、底面頂點之一和底面中心的平面的橫截面。該圖給出

b=sqrt(1/2a^2-r^2)
(11)
c=sqrt(h^2-r^2),
(12)

因此,斜高

 s=sqrt(h^2+1/2a^2)=b+c=sqrt(1/2a^2-r^2)+sqrt(h^2-r^2).
(13)

解出 h 得到

 h=(ra)/(sqrt(a^2-2r^2)).
(14)

但是,我們知道半球必須與各面相切,所以 r=a/2,並且

 h=(1/2a)/(sqrt(a^2-1/2a^2))a=(1/2)/(sqrt(1/2))a=1/2sqrt(2)a.
(15)

圖 (c) 顯示了穿過中心、頂點和對邊中點的橫截面。《勾股定理》再次給出

 l=sqrt(1/4a^2+h^2)=sqrt(1/4a^2+1/2a^2)=1/2sqrt(3)a.
(16)

我們現在需要求出 xy

 sqrt(1/4a^2-x^2)+d=l.
(17)

但是我們知道 lh,並且 d 由下式給出

 d=sqrt(h^2-x^2),
(18)

因此

 sqrt(1/4a^2-x^2)+sqrt(1/2a^2-x^2)=1/2sqrt(3)a.
(19)

解得

 x=1/6sqrt(6)a,
(20)

因此

 y=sqrt(r^2-x^2)=a/(2sqrt(3)).
(21)

我們現在可以求出球冠體積

 V_(cap)=1/6piH(3A^2+H^2),
(22)

其中

A=y=a/(2sqrt(3))
(23)
H=r-x=a(1/2-1/(sqrt(6))),
(24)

因此

 V_(cap)=1/6pia^3(1/2-7/(6sqrt(6))).
(25)

因此,稜錐內部的體積為

V_(inside)=2/3pir^3-4V_(cap)
(26)
=pia^3(7/(9sqrt(6))-1/4).
(27)

這個問題出現在日本學力傾向測驗中 (Cipra 1993)。


另請參閱

約翰遜多面體, 五面體, 五稜錐, 稜錐, 球冠, 正方稜錐數, 三稜錐

使用 探索

參考文獻

Cipra, B. "An Awesome Look at Japan Math SAT." 科學 259, 22, 1993.

請引用為

Weisstein, Eric W. "Square Pyramid." 來自 --一個 Wolfram 網路資源。 https://mathworld.tw/SquarePyramid.html

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