Определение

Пирамида – это многогранник, составленный из многоугольника $A_1A_2...A_n$ и $n$ треугольников с общей вершиной $P$ (не лежащей в плоскости многоугольника) и противолежащими ей сторонами, совпадающими со сторонами многоугольника.
Обозначение: $PA_1A_2...A_n$ .
Пример: пятиугольная пирамида $PA_1A_2A_3A_4A_5$ .

Треугольники $PA_1A_2, \ PA_2A_3$ и т.д. называются боковыми гранями пирамиды, отрезки $PA_1, PA_2$ и т.д. – боковыми ребрами, многоугольник $A_1A_2A_3A_4A_5$ – основанием, точка $P$ – вершиной.

Высота пирамиды – это перпендикуляр, опущенный из вершины пирамиды на плоскость основания.

Пирамида, в основании которой лежит треугольник, называется тетраэдром.

Пирамида называется правильной, если в ее основании лежит правильный многоугольник и выполнено одно из условий:

$(a)$ боковые ребра пирамиды равны;

$(b)$ высота пирамиды проходит через центр описанной около основания окружности;

$(c)$ боковые ребра наклонены к плоскости основания под одинаковым углом.

$(d)$ боковые грани наклонены к плоскости основания под одинаковым углом.

Правильный тетраэдр – это треугольная пирамида, все грани которой – равные равносторонние треугольники.

Теорема

Условия $(a), (b), (c), (d)$ эквивалентны.

Доказательство

Проведем высоту пирамиды $PH$ . Пусть $\alpha$ – плоскость основания пирамиды.

1) Докажем, что из $(a)$ следует $(b)$ . Пусть $PA_1=PA_2=PA_3=...=PA_n$ .

Т.к. $PH\perp \alpha$ , то $PH$ перпендикулярна любой прямой, лежащей в этой плоскости, значит, треугольники $PA_1H, PA_2H, PA_3H,..., PA_nH$ – прямоугольные. Значит, эти треугольники равны по общему катету $PH$ и гипотенузам $PA_1=PA_2=PA_3=...=PA_n$ . Значит, $A_1H=A_2H=...=A_nH$ . Значит, точки $A_1, A_2, ..., A_n$ находятся на одинаковом расстоянии от точки $H$ , следовательно, лежат на одной окружности с радиусом $A_1H$ . Эта окружность по определению и есть описанная около многоугольника $A_1A_2...A_n$ .

2) Докажем, что из $(b)$ следует $(c)$ .

Аналогично первому пункту треугольники $PA_1H, PA_2H, PA_3H,..., PA_nH$ прямоугольные и равны по двум катетам. Значит, равны и их углы, следовательно, $\angle PA_1H=\angle PA_2H=...=\angle PA_nH$ .

3) Докажем, что из $(c)$ следует $(a)$ .

Аналогично первому пункту треугольники $PA_1H, PA_2H, PA_3H,..., PA_nH$ прямоугольные и по катету и острому углу. Значит, равны и их гипотенузы, то есть $PA_1=PA_2=PA_3=...=PA_n$ .

4) Докажем, что из $(b)$ следует $(d)$ .

Т.к. в правильном многоугольнике совпадают центры описанной и вписанной окружности (вообще говоря, эта точка называется центром правильного многоугольника), то $H$ – центр вписанной окружности. Проведем перпендикуляры из точки $H$ на стороны основания: $HK_1, HK_2$ и т.д. Это – радиусы вписанной окружности (по определению). Тогда по ТТП ( $PH$ – перпендикуляр на плоскость, $HK_1, HK_2$ и т.д. – проекции, перпендикулярные сторонам) наклонные $PK_1, PK_2$ и т.д. перпендикулярны сторонам $A_1A_2, A_2A_3$ и т.д. соответственно. Значит, по определению $\angle PK_1H, \angle PK_2H$ равны углам между боковыми гранями и основанием. Т.к. треугольники $PK_1H, PK_2H, ...$ равны (как прямоугольные по двум катетам), то и углы $\angle PK_1H, \angle PK_2H, ...$ равны.

5) Докажем, что из $(d)$ следует $(b)$ .

Аналогично четвертому пункту треугольники $PK_1H, PK_2H, ...$ равны (как прямоугольные по катету и острому углу), значит, равны отрезки $HK_1=HK_2=...=HK_n$ . Значит, по определению, $H$ – центр вписанной в основание окружности. Но т.к. у правильных многоугольников центры вписанной и описанной окружности совпадают, то $H$ – центр описанной окружности. Чтд.

Следствие

Боковые грани правильной пирамиды – равные равнобедренные треугольники.

Определение

Высота боковой грани правильной пирамиды, проведенная из ее вершины, называется апофемой.
Апофемы всех боковых граней правильной пирамиды равны между собой и являются также медианами и биссектрисами.

Важные замечания

1. Высота правильной треугольной пирамиды падает в точку пересечения высот (или биссектрис, или медиан) основания (основание – правильный треугольник).

2. Высота правильной четырехугольной пирамиды падает в точку пересечения диагоналей основания (основание – квадрат).

3. Высота правильной шестиугольной пирамиды падает в точку пересечения диагоналей основания (основание – правильный шестиугольник).

4. Высота пирамиды перпендикулярна любой прямой, лежащей в основании.

Определение

Пирамида называется прямоугольной, если одно ее боковое ребро перпендикулярно плоскости основания.

Важные замечания

1. У прямоугольной пирамиды ребро, перпендикулярное основанию, является высотой пирамиды. То есть $SR$ – высота.

2. Т.к. $SR$ перпендикулярно любой прямой из основания, то $\triangle SRM, \triangle SRP$ – прямоугольные треугольники.

3. Треугольники $\triangle SRN, \triangle SRK$ – тоже прямоугольные.
То есть любой треугольник, образованный этим ребром и диагональю, выходящей из вершины этого ребра, лежащей в основании, будет прямоугольным.

${\Large{\text{Объем и площадь поверхности пирамиды}}}$

Теорема

Объем пирамиды равен трети произведения площади основания на высоту пирамиды: $V_{\text{пирамиды}}=\dfrac13 S_{\text{осн}}\cdot h$

Следствия

Пусть $a$ – сторона основания, $h$ – высота пирамиды.

1. Объем правильной треугольной пирамиды равен $V_{\text{прав.треуг.пир.}}=\dfrac{\sqrt3}{12}a^2h$ ,

2. Объем правильной четырехугольной пирамиды равен $V_{\text{прав.четыр.пир.}}=\dfrac13a^2h$ .

3. Объем правильной шестиугольной пирамиды равен $V_{\text{прав.шест.пир.}}=\dfrac{\sqrt3}{2}a^2h$ .

4. Объем правильного тетраэдра равен $V_{\text{прав.тетр.}}=\dfrac{\sqrt3}{12}a^3$ .

Теорема

Площадь боковой поверхности правильной пирамиды равна полупроизведению периметра основания на апофему.

${\Large{\text{Усеченная пирамида}}}$

Определение

Рассмотрим произвольную пирамиду $PA_1A_2A_3...A_n$ . Проведем через некоторую точку, лежащую на боковом ребре пирамиды, плоскость параллельно основанию пирамиды. Данная плоскость разобьет пирамиду на два многогранника, один из которых – пирамида ( $PB_1B_2...B_n$ ), а другой называется усеченная пирамида ( $A_1A_2...A_nB_1B_2...B_n$ ).

Усеченная пирамида имеет два основания – многоугольники $A_1A_2...A_n$ и $B_1B_2...B_n$ , которые подобны друг другу.

Высота усеченной пирамиды – это перпендикуляр, проведенный из какой-нибудь точки верхнего основания к плоскости нижнего основания.

Важные замечания

1. Все боковые грани усеченной пирамиды – трапеции.

2. Отрезок, соединяющий центры оснований правильной усеченной пирамиды (то есть пирамиды, полученной сечением правильной пирамиды), является высотой.