Для чего используются определения геометрия
Основы геометрии. Определения основных элементов, пятый элемент
вот только это абстрактное определение содержит больше вопросов, чем ответов и потому даже первоклассник такое определение вряд ли поймет. Между тем даже трехлетний ребенок, гуляя на улице, находит самую длинную палку, а если вы ее заберете и дадите взамен более короткую, то ребенок вполне может и расплакаться. Из чего следует, что понятие длины ребенку хорошо знакомо, даже если он еще никогда в жизни слова такого не слыхал.
Ну а для определения формы предмета нужно знать еще несколько понятий. Их Евклид сформулировал настолько просто, что даже сейчас понимание некоторых из них вызывает определенные сложности. Сколь полезной для гимнастики ума была новая трактовка евклидовых определений, я уже писал выше. А здесь я просто изложу свое понимание геометрии, далеко не всегда совпадающее с трактовкой Евклида и других геометров, однако с использованием аналогий к системе координат Декарта (также одного из комментаторов Евклида). Вообще-то прообразом системы координат является крест, использовавшийся людьми за тысячи лет до появления христианства, и смысл у него был приблизительно такой же как и у нынешней системы координат, но к кресту мы еще вернемся. В отличие от описательных определений Евклида я постараюсь дать большей частью генетические определения:
Применять к точке понятия размеров или формы бессмысленно, если точка только одна. Точка изначальна, как слово в библии, но без точки невозможна геометрия, все остальные геометрические фигуры состоят как бы из точек. Впрочем, это утверждение справедливо только для моего абстрактного геометрического мира. Не все точки одинаково важны при решении задач геометрии, но обсуждать этот вопрос более подробно, пока мы ничего кроме точек не знаем, не имеет смысла.
линии бывают разными. На мой взгляд наиболее важными из них являются:
2.1. Элементарный отрезок
Примечание 1: В классической геометрии не используются понятия элементарного отрезка, элементарных размеров, элементарной поверхности и др. С одной стороны это значительно упрощает решение многих практических задач, а с другой стороны плохо соотносится с наблюдаемым нами реальным миром. Например, любое наблюдаемое нами твердое тело реального мира, имеющее некоторую массу, состоит из атомов, во всяком случае атомистическая модель строения мира пока не опровергнута. В однородном (изотропном) пространстве расстояние между атомами определяется взаимодействием атомов тела и если на тело не действуют никакие силы кроме указанной силы взаимодействия, то расстояние между атомами будет приблизительно одинаковым и для тела из данного материала элементарным. Т.е. определять какие-либо геометрические характеристики для некоего условно однородного материала с межатомным расстоянием 0.3 нм на расстоянии 0.15 нм от одного из атомов бессмысленно, тем не менее классическая геометрия это допускает. Впрочем геометрия используется не только для определения размеров материальных тел. Уникальность геометрии в том, что она как пустой горшок Винни Пуха, может вместить в себя что угодно. Например, если речь идет о траектории движения некоей материальной точки, то такая траектория также может рассматриваться как геометрическая фигура и тогда понятие элементарного отрезка становится весьма условным, так как в этом случае расстояния между точками траектории действительно можно рассматривать стремящимися к нулю. Это иногда приводит к другим парадоксам, не разрешимым с точки зрения классической геометрии, но о них речь ниже.
однако с точки зрения геометрии нет необходимости рассматривать каждое расстояние между точками отдельно, если свойства линии не меняются. Достаточно знать расстояние между начальной и конечной точкой, что и является главной характеристикой для элементарного отрезка. Это значительно упрощает решение задач. Таким образом для определения свойства линии достаточно знать характеристики главных точек. Я бы назвал эти точки характерными точками.
Прямая линия одномерна. Это означает, что прямую линию всегда можно расположить так, что наблюдатель будет видеть только одну начальную точку. Например, когда школьник, плюющий через трубочку жеванной бумагой в понравившуюся девочку, приставляет к глазу трубочку, чтобы посмотреть на мишень, он как раз и совмещает центр окружности начала трубочки с центром окружности конца трубочки, а по ходу и все центры поперечных сечений трубочки, если трубочка ровная.
Пока все вроде бы просто и достаточно понятно, но
Как быть? Ответ в принципе достаточно простой: Нужно совместить точку и линию, тогда:
Между тем современная геометрия продолжает рассматривать окружность, как некую плавную замкнутую линию, которую сколько ни разбивай на отрезки, они все равно будут и прямолинейными и не криволинейными одновременно. Это приводит к тому, что даже сейчас невозможно совершенно точно определить длину окружности, да и площадь круга даже теоретически. Т.е. многие из вас слышали про число ∏, но не многие знают, что это постоянное число, выражающее отношение длины окружности к радиусу, точно рассчитать не возможно, так как ∏ является иррациональным и трансцендентальным числом.
Если рассматривать квадрат, как траекторию движения точки, совершившей полный оборот, то при длине стороны квадрата а = 1:
l = ∏2R = Р п = 4а (279.2)
∏ = 2a/R (279.3)
∏R/2 = 1 (279.4)
Тогда площадь единичного «квадратного круга» и объем единичного «кубического шара» при тех же условиях:
S = (∏R/2) 2 = ∏ 2 R 2 /4 (279.5)
V = (∏R/2) 3 = ∏ 3 R 3 /8 (279.6)
Впрочем пока принято пользоваться другими формулами для определения площади круга и объема шара. И если при определении площади по стандартной формуле (S = ∏R 2 ) все сходится, то объем (V = 4∏R 3 /3) получается больше на 8.07%. Впрочем, прямого отношения к теме это не имеет.
Поверхности, как и линии бывают разными, причем разнообразие поверхностей еще больше, чем линий.
3.1. Элементарная поверхность
3.2. Из элементарных поверхностей может слагаться поверхность сколь угодно большой площади
Плоскость двухмерна, это означает, что плоскость всегда можно расположить так, что наблюдателю будет видна только одна линия. Например, плотники с древнейших времен проверяют точность обработки деревянного бруса, смотря на исследуемую поверхность так, чтобы линия, ограничивающая начало поверхности, совпала с линией, ограничивающей конец поверхности.
И точка и линия и поверхность в геометрии могут рассматриваться и как отдельные элементы и как формообразующие элементы, например, точка формообразующий элемент для линии, а линия формообразующий элемент для поверхности. Также точка, линия и поверхность могут быть общими элементами геометрических фигур.
Для основной части школьного курса геометрии этих элементов вполне достаточно, да и у Евклида трехмерные геометрические фигуры рассматриваются в книгах XI-XIII. Тем не менее хочется закончить этот ряд.
4.2. Из элементарных тел может быть образовано тело сколь угодно большого объема
А теперь закончим этот ряд:
Например, если нужно определить расстояние от одной звезды до другой, то учитывать при этом объемы звезд и уточнять, что определяется расстояние между центрами звезд, вовсе не обязательно, так как расстояние между звездами значительно больше чем диаметры звезд. Другими словами, если подобное уточнение даст изменение результата в пределах нескольких тысячных процента и даже менее, то нет большого смысла тратить время на подробные вычисления.
Таким образом в геометрии есть 4 формообразующих элемента из которых может быть образована любая геометрическая фигура. Эти перечисленные выше элементы характеризуются абсолютными характеристиками длиной, шириной и высотой
Рисунок 1. а) Условное изображение физического тела, состоящего из атомов
б) геометрическая модель физического тела или просто геометрическое тело
Тут позволю себе небольшое историческое отступление для лучшего понимания темы.
Достаточно давно (когда еще считалось, что Солнце вращается вокруг Земли) 1 полный оборот вокруг оси вращения (1 год) был разбит на количество градусов (дней). Должно было получиться около 365 градусов.
Как и другие элементы геометрии, углы бывают разными, но как правило для решения большинства задач геометрии люди используют малую часть возможных углов. Так из всех возможных углов чаще всего рассматривается плоский угол. Такой угол может быть образован двумя линиями, находящимися в одной плоскости.
Из плоских углов наибольшее значение имеет прямолинейный угол. Такой угол образован не просто линиями, а прямыми линиями, что позволяет определить характеристики угла максимально просто.
Из прямолинейных углов выделяются еще два частных случая: прямой угол и развернутый угол.
Если при пересечении двух прямых образуются 4 одинаковых угла, то такие углы называются прямыми, а линии называются перпендикулярными друг другу
Если прямая образована из отрезков, то угол между всеми отрезками является развернутым
Главными характеристиками угла в свою очередь являются синус и косинус
Получить такие геометрические фигуры можно с помощью обычного детского магнитного конструктора. Достаточно взять 4 палочки и 4 шарика и соединить их между собой так, чтобы получился квадрат, а затем надавить соответствующим образом на один из шариков. При этом квадрат будет постепенно превращаться в ромб, показанный на рисунке 2.б), а если давить и дальше, то и в ромб, показанный на рисунке 2.в. При этом общая точка для нижней и левой боковой линии станет центром вращения для левой боковой стороны, а сама левая боковая сторона станет радиусом окружности.
Конечно же человеку, решая различные возникающие перед ним задачи, приходится иметь дело не только с прямым и развернутым углом, но также и со всеми остальными. А чтобы каждый раз не вычислять значения синуса, косинуса и других тригонометрических функций, люди пользуются соответствующими таблицами или калькулятором, который сам все посчитает, для того он и придуман.
Это далеко не все, что можно рассказать о формообразующих элементах, но для начала хватит.
Доступ к полной версии этой статьи и всех остальных статей на данном сайте стоит всего 30 рублей. После успешного завершения перевода откроется страница с благодарностью, адресом электронной почты и продолжением статьи. Если вы хотите задать вопрос по расчету конструкций, пожалуйста, воспользуйтесь этим адресом. Зараннее большое спасибо.)). Если страница не открылась, то скорее всего вы осуществили перевод с другого Яндекс-кошелька, но в любом случае волноваться не надо. Главное, при оформлении перевода точно указать свой e-mail и я обязательно с вами свяжусь. К тому же вы всегда можете добавить свой комментарий. Больше подробностей в статье «Записаться на прием к доктору»
Для терминалов номер Яндекс Кошелька 410012390761783
Номер карты Ymoney 4048 4150 0452 9638 SERGEI GUTOV
Примечание: Возможно ваш вопрос, особенно если он касается расчета конструкций, так и не появится в общем списке или останется без ответа, даже если вы задатите его 20 раз подряд. Почему, достаточно подробно объясняется в статье «Записаться на прием к доктору» (ссылка в шапке сайта).
Вот и настал момент прощания с математикой, сопровождающей нас на протяжении долгих шести лет школьной жизни. Но огорчаться не нужно, на смену привычной математике приходят занимательные и интересные разделы этой науки – алгебра и геометрия.
Давайте разберемся, что же такое геометрия, для чего она нужна, где её используют?
В дословном переводе с греческого, геометрия означает землемерие:
Геометрия (от др.-греч. γεωμετρία, от γῆ — земля и μετρέω — измеряю) — раздел математики, изучающий пространственные структуры и отношения, а также их обобщения.
Геометрия как систематическая наука появилась в Древней Греции, её аксиоматические построения описаны в «Началах» Евклида. Евклидова геометрия занималась изучением простейших фигур на плоскости и в пространстве, вычислением их площади и объёма. Предложенный Декартом в 1637 году координатный метод лёг в основу аналитической и дифференциальной геометрии, а задачи, связанные с черчением, привели к созданию начертательной и проективной геометрии. При этом все построения оставались в рамках аксиоматического подхода Евклида. Коренные изменения связаны с работами Лобачевского в 1829 году, который отказался от аксиомы параллельности и создал новую неевклидову геометрию, определив таким образом путь дальнейшего развития науки и создания новых теорий.
Классификация геометрии, предложенная Клейном в «Эрлангенской программе» в 1872 году и содержащая в своей основе инвариантность геометрических объектов относительно различных групп преобразований, сохраняется до сих пор.
Аксиома — математическое предложение, принимаемое без доказательства, называют аксиомой.
Планиметрия — раздел евклидовой геометрии, исследующий фигуры на плоскости.
Стереометрия — раздел евклидовой геометрии, в котором изучаются фигуры в пространстве.
Проективная геометрия — изучающая проективные свойства фигур, то есть свойства, сохраняющиеся при их проективных преобразованиях.
Аффинная геометрия — изучающая свойства фигур, сохраняющиеся при аффинных преобразованиях.
Начертательная геометрия — инженерная дисциплина, в основе которой лежит метод проекций. Этот метод использует две и более проекций (ортогональных или косоугольных), что позволяет представить трехмерный объект на плоскости.
Прямая линия, ограниченная с одного конца и неограниченная с другого, называется лучом.
Угол — это геометрическая фигура, образованная двумя лучами (стороны угла), исходящими из одной точки (вершина угла). Применяются две единицы измерения углов: радиан и градус. Угол в 90° называется прямым; угол, меньший чем 90°, называется острым; угол, больший чем 90°, называется тупым.
Смежные углы — это углы, имеющие общую вершину и общую сторону; две другие стороны являются продолжениями одна другой. Сумма смежных углов равна 180°. Вертикальные углы — это два угла с общей вершиной, у которых стороны одного являются продолжениями сторон другого.
Биссектрисой угла — называется луч, делящий угол пополам.
Две прямые называются параллельными, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются, сколько бы их ни продолжать. Все прямые, параллельные одной прямой, параллельны между собой. Все перпендикуляры к одной и той же прямой параллельны между собой, и обратно, прямая, перпендикулярная к одной из параллельных прямых, перпендикулярна к остальным. Длина отрезка перпендикуляра, заключенного между двумя параллельными прямыми, есть расстояние между ними. При пересечении двух параллельных прямых третьей прямой образуются восемь углов, которые попарно называются: соответственные углы (эти углы попарно равны); внутренние накрест лежащие углы (они попарно равны); внешние накрест лежащие углы (они попарно равны); внутренние односторонние углы (их сумма равна 180°); внешние односторонние углы (их сумма равна 180°).
Теорема Фалеса. При пересечении сторон угла параллельными прямыми стороны угла делятся на пропорциональные отрезки.
Точка — это абстрактный объект, который не имеет измерительных характеристик: ни высоты, ни длины, ни радиуса. В рамках задачи важно только его местоположение.
Точка обозначается цифрой или заглавной (большой) латинской буквой. Несколько точек — разными цифрами или разными буквами, чтобы их можно было различать
Линия — представляет собой массу точек. Линии принято обозначать строчными буквами латиницы.
С углами, отрезками и методом сравнения без использования вычислений мы познакомились. Теперь давайте узнаем, какие бывают виды углов в зависимости от градусной меры.
Острый. Градусная мера 90 ˚
Развернутый. Градусная мера =180 ˚. Развернутый угол, состоит из двух прямых углов.
Когда углы дополняют один другого, то они могут быть смежными углами и вертикальными углами.
Смежные углы – углы, у которых есть общая сторона, а из оставшихся сторон получается прямая линия.
Если прямые никогда не пересекаются на плоскости, то их называют параллельными.
Аксиома принадлежности — через любые две точки на плоскости можно провести прямую и притом только одну. Аксиома порядка: среди любых трех точек, лежащих на прямой, есть не более одной точки, лежащей между двух других.
Aксиома конгруэнтности (равенства) отрезков и углов —если два отрезка (угла) конгруэнтны третьему, то они конгруэнтны между собой. Аксиома параллельных прямых: через любую точку, лежащую вне прямой, можно провести другую прямую, параллельную данной, и притом только одну.
Аксиома непрерывности (аксиома Архимеда): для любых двух отрезков AB и CD существует конечный набор точек A1, A2, …, An, лежащих на прямой AB, таких что отрезки AA1, A1A2, …, An-1An конгруэнтны отрезку CD, a точка B лежит между A и An.
Плоская фигура, образованная замкнутой цепочкой отрезков, называется многоугольником.
В зависимости от количества углов многоугольник может быть треугольником, четырехугольником, пятиугольником, шестиугольником и т. д. Сумма длин называется периметром и обозначается p.
Если все диагонали лежат внутри многоугольника, он называется выпуклым. Сумма внутренних углов выпуклого многоугольника равна 180°*(n—2), где n — число углов (или сторон) многоугольника.
Треугольник — это многоугольник с тремя сторонами (или тремя углами). Если все три угла острые, то это остроугольный треугольник. Если один из углов прямой, то это прямоугольный треугольник; стороны, образующие прямой угол, называются катетами; сторона, противоположная прямому углу, называется гипотенузой. Если один из углов тупой, то это тупоугольный треугольник. Треугольник равнобедренный, если две его стороны равны. Треугольник равносторонний, если все его стороны равны.
В прямоугольном треугольнике справедливы следующие соотношения:
Площадь прямоугольного треугольника :
Радиус вписанной окружности:
В произвольном треугольнике:
В любой правильный многоугольник можно вписать окружность и около него можно описать окружность:
Площадь правильного многоугольника:
Длины сторон и диагоналей связаны формулой:
Основные свойства треугольников:
Признаки равенства треугольников: треугольники равны, если равны:
Признаки равенства прямоугольных треугольников: два прямоугольных треугольника равны, если выполняется одно из следующих условий:
Высота треугольника — это перпендикуляр, опущенный из любой вершины на противоположную сторону (или ее продолжение). Эта сторона называется основанием треугольника. Три высоты треугольника всегда пересекаются в одной точке, называемой ортоцентром треугольника. Ортоцентр остроугольного треугольника расположен внутри треугольника, а ортоцентр тупоугольного треугольника — снаружи; ортоцентр прямоугольного треугольника совпадает с вершиной прямого угла.
Формула для высоты треугольника:
Медиана — это отрезок, соединяющий любую вершину треугольника с серединой противоположной стороны. Три медианы треугольника пересекаются в одной точке, всегда лежащей внутри треугольника и являющейся его центром тяжести. Эта точка делит каждую медиану в отношении 2:1, считая от вершины.
Биссектриса — это отрезок биссектрисы угла от вершины до точки пересечения с противоположной стороной. Три биссектрисы треугольника пересекаются в одной точке, всегда лежащей внутри треугольника и являющейся центром вписанного круга. Биссектриса делит противоположную сторону на части, пропорциональные прилегающим сторонам.
Формула для биссектрисы треугольника:
Срединный перпендикуляр — это перпендикуляр, проведенный из средней точки отрезка (стороны). Три срединных перпендикуляра треугольника пересекаются в одной точке, являющейся центром описанного круга. В остроугольном треугольнике эта точка лежит внутри треугольника; в тупоугольном — снаружи; в прямоугольном — в середине гипотенузы. Ортоцентр, центр тяжести, центр описанного и центр вписанного круга совпадают только в равностороннем треугольнике.
Теорема Пифагора. В прямоугольном треугольнике квадрат длины гипотенузы равен сумме квадратов длин катетов: c2 = a2 + b2.
В общем случае (для произвольного треугольника) имеем: c2=a2+b2–2?a?b?cosC, где C — угол между сторонами a и b.
Четырехугольник — фигура, образованная четырьмя точками (вершинами), никакие три из которых не лежат на одной прямой, и четырьмя последовательно соединяющими их отрезками (сторонами), которые не должны пересекаться.
Параллелограмм — это четырехугольник, противоположные стороны которого попарно параллельны. Любые две противоположные стороны параллелограмма называются его основаниями, а расстояние между ними — высотой.
Радиус вписанной в параллелограмм окружности:
Прямоугольник — это параллелограмм, все углы которого равны 90°.
Основные свойства прямоугольника.
Стороны прямоугольника являются одновременно его высотами.
Диагонали прямоугольника равны: AC = BD.
Квадрат диагонали прямоугольника равен сумме квадратов его сторон (по теореме Пифагора).
Площадь прямоугольника:S = ab.
Радиус описанной около прямоугольника окружности:
Ромбом называется параллелограмм, у которого все стороны равны. Диагонали ромба взаимно перпендикулярны и делят их углы пополам.
Площадь ромба выражается через диагонали:
Квадрат — это параллелограмм с прямыми углами и равными сторонами. Квадрат является частным случаем прямоугольника и ромба одновременно, следовательно, он обладает всеми их вышеперечисленными свойствами.
Радиус описанной около квадрата окружности:
Радиус вписанной в квадрат окружности:
Трапеция — это четырехугольник, у которого две противоположные стороны параллельны. Параллельные стороны называюся основаниями трапеции, а две другие — боковыми сторонами. Расстояние между основаниями есть высота. Отрезок, соединяющий средние точки боковых сторон, называется средней линией трапеции. Средняя линия трапеции равна полусумме оснований и параллельна им. Трапеция с равными боковыми сторонами называется равнобочной трапецией. В равнобочной трапеции углы при каждом основании равны.
Средняя линия треугольника — это отрезок, соединяющий средние точки боковых сторон треугольника. Средняя линия треугольника равна половине его основания и параллельна ему. Это свойство вытекает из свойства трапеции, так как треугольник может рассматриваться как случай вырождения трапеции, когда одно из ее оснований превращается в точку.
Подобие плоских фигур. Если изменить все размеры плоской фигуры одно и то же число раз (отношение подобия), то старая и новая фигуры называются подобными. Два многоугольника подобны, если их углы равны, а стороны пропорциональны.
Площади подобных фигур пропорциональны квадратам их сходственных линий (например, сторон, диаметров).
Геометрическое место точек — это множество всех точек, удовлетворяющих определенным заданным условиям.
Окружность — это геометрическое место точек на плоскости, равноудаленных от одной точки, называемой центром окружности. Отрезок, соединяющий центр окружности с какой-либо её точкой, называется радиусом и обозначается — r. Часть плоскости, ограниченная окружностью, называется кругом. Часть окружности называется дугой. Прямая, проходящая через две точки окружности, называется секущей, а ее отрезок, лежащий внутри окружности — хордой. Хорда, проходящая через центр круга, называется диаметром и обозначается d. Диаметр — это наибольшая хорда, по величине равная двум радиусам: d = 2r.
Сегмент — это часть круга, ограниченная дугой и соответствующей хордой. Длина перпендикуляра, проведенного из середины хорды до пересечения с дугой, называется высотой сегмента.
Сектор — это часть круга, ограниченная дугой и двумя радиусами, проведенными к концам этой дуги.
Центральный угол — угол, образованный двумя радиусами. Вписанный угол — это угол, образованный двумя хордами, проведенными из их одной общей точки. Описанный угол — угол, образованный двумя касательными, проведенными из одной общей точки.
Радианная мера любого угла — это отношение длины дуги, проведенной произвольным радиусом и заключенной между сторонами этого угла, к ее радиусу.
Соотношения между элементами круга.
Вписанный угол равен половине центрального угла, опирающегося на ту же дугу. Следовательно, все вписанные углы, опирающиеся на одну и ту же дугу, равны. А так как центральный угол содержит то же количество градусов, что и его дуга, то любой вписанный угол измеряется половиной дуги, на которую он опирается.
Все вписанные углы, опирающиеся на полукруг, прямые.
Угол, образованный двумя хордами, измеряется полусуммой дуг, заключенных между его сторонами.
Угол, образованный двумя секущими, измеряется полуразностью дуг, заключенных между его сторонами.
Угол, образованный касательной и хордой, измеряется половиной дуги, заключенной внутри него.
Угол, образованный касательной и секущей, измеряется полуразностью дуг, заключенных между его сторонами.
Описанный угол, образованный двумя касательными, измеряется полуразностью дуг, заключенных между его сторонами.
Произведения отрезков хорд, на которые они делятся точкой пересечения, равны.
Квадрат касательной равен произведению секущей на ее внешнюю часть.
Хорда, перпендикулярная диаметру, делится в их точке пересечения пополам.
Вписанным в круг называется многоугольник, вершины которого расположены на окружности. Описанным около круга называется многоугольник, стороны которого являются касательными к окружности. Соответственно, окружность, проходящая через вершины многоугольника, называется описанной около многоугольника; окружность, для которой стороны многоугольника являются касательными, называется вписанной в многоугольник. Для произвольного многоугольника невозможно вписать в него и описать около него окружность. Для треугольника эта возможность существует всегда.
В четырехугольник можно вписать окружность, если суммы его противоположных сторон равны. Для параллелограммов это возможно только для ромба (квадрата). Центр вписанного круга расположен в точке пересечения диагоналей. Около четырехугольника можно описать круг, если сумма его противоположных углов равна 180°. Для параллелограммов это возможно только для прямоугольника (квадрата). Центр описанного круга лежит в точке пересечения диагоналей. Вокруг трапеции можно описать круг, если только она равнобочная. Правильный многоугольник — это многоугольник с равными сторонами и углами.
Основные аксиомы стереометрии.
Какова бы ни была плоскость, существуют точки, принадлежащие этой плоскости, и точки, не принадлежащие ей.
Если две различные плоскости имеют общую точку, то они пересекаются по прямой, проходящей через эту точку.
Если две различные прямые имеют общую точку, то через них можно провести одну и только одну плоскость.
Через три точки, лежащие на одной прямой, можно провести бесчисленное множество плоскостей, образующих в этом случае пучок плоскостей. Прямая, через которую проходят все плоскости пучка, называется осью пучка. Через любую прямую и точку, лежащую вне этой прямой, можно провести одну и только одну плоскость. Через две прямые не всегда можно провести плоскость, тогда эти прямые называются скрещивающимися.
Скрещивающиеся прямые не пересекаются, сколько бы их ни продолжать, но они не являются параллельными прямыми, так как не лежат в одной плоскости. Только параллельные прямые являются непересекающимися линиями, через которые можно провести плоскость. Разница между скрещивающимися и параллельными прямыми состоит в том, что параллельные прямые имеют одинаковое направление, а скрещивающиеся — нет. Через две пересекающиеся прямые всегда можно провести одну и только одну плоскость. Расстояние между двумя скрещивающимися прямыми есть длина отрезка, соединяющего ближайшие точки, расположенные на скрещивающихся прямых. Непересекающиеся плоскости называются параллельными плоскостями. Плоскость и прямая либо пересекаются (в одной точке), либо нет. В последнем случае говорят, что прямая и плоскость параллельны друг другу.
Перпендикуляром, опущенным из точки на плоскость, называется отрезок, соединяющий данную точку с точкой плоскости и ежащей на прямой, перпендикулярной плоскости.
Проекцией точки на плоскость называется основание перпендикуляра, опущенного из точки на плоскость. Проекцией отрезка на плоскость P является отрезок, концы которого являются проекциями точек данного отрезка.
Двугранным углом называется фигура, образованная двумя полуплоскостями с общей ограничивающей их прямой. Полуплоскости называются гранями, а ограничивающая их прямая — ребром двугранного угла. Плоскость, перпендикулярная к ребру, дает в ее пересечении с полуплоскостями угол называемый линейным углом двугранного угла. Двугранный угол измеряется своим линейным углом.
Многогранный угол. Если через точку провести множество плоскостей, которые последовательно пересекаются друг с другом по прямым, то получим фигуру, называемую многогранным углом. Плоскости, образующие многогранный угол называются его гранями; прямые, по которым последовательно пересекаются грани называются ребрами многогранного угла. Минимальное количество граней многогранного угла равно трем.
Параллельные плоскости вырезают на ребрах многогранного угла, пропорциональные отрезки и образуют подобные многоугольники.
Признаки параллельности прямой и плоскости.
Если прямая, лежащая вне плоскости, параллельна какой-либо прямой, лежащей в этой плоскости, то она параллельна этой плоскости.
Если прямая и плоскость перпендикулярны одной и той же прямой, то они параллельны.
Признаки параллельности плоскостей:
Прямая, пересекающая плоскость и не перпендикулярная ей, называется наклонной к плоскости.
Теорема о трех перпендикулярах
Прямая, лежащая в плоскости и перпендикулярная проекции наклонной к этой плоскости, перпендикулярна и самой наклонной.
Признаки параллельности прямых в пространстве:
Уравнение прямой на плоскости в прямоугольной системе координат xy:
ax + bx + c = 0, где a, b, c — постоянные числа, x и y —координаты переменной точки M(x,y) на прямой.
Признаки параллельности прямых:
Признак перпендикулярности плоскостей: если плоскость проходит через прямую, перпендикулярную другой плоскости, то эти плоскости перпендикулярны.
Теорема об общем перпендикуляре к двум скрещивающимся прямым. Для любых двух скрещивающихся прямых существует единственный общий перпендикуляр.
Многогранник — это тело, граница которого состоит из кусков плоскостей (многоугольников). Эти многоугольники называются гранями, их стороны — ребрами, их вершины — вершинами многогранника. Отрезки, соединяющие две вершины и не лежащие на одной грани, называются диагоналями многогранника. Многогранник — выпуклый, если все его диагонали расположены внутри него.
Куб — объемная фигура с шестью равными гранями.
Объем и площадь поверхности куба:
Призмой называется многогранник, две грани которого (основания призмы) — равные многоугольники с соответственно параллельными сторонами, а остальные грани — параллелограммы.
Отрезки, соединяющие соответствующие вершины, называются боковыми ребрами. Высота призмы — это любой перпендикуляр, опущенный из любой точки основания на плоскость другого основания. В зависимости от формы многоугольника, лежащего в основании, призма может быть, соответственно треугольной, четырёхугольной, пятиугольной, шестиугольной и т. д. Если боковые ребра призмы перпендикулярны к плоскости основания, то такая призма называется прямой; в противном случае это наклонная призма. Если в основании прямой призмы лежит правильный многоугольник, то такая призма также называется правильной. Диагональю призмы называется отрезок, соединяющий две вершины призмы, не принадлежащие одной грани.
Площадь боковой поверхности прямой призмы:
Sбок = P*H, где P — периметр основания, а H — высота.
Параллелепипед — это призма, основания которой параллелограммы. Таким образом, параллелепипед имеет шесть граней, и все они — параллелограммы. Противоположные грани попарно равны и параллельны. У параллелепипеда четыре диагонали; они все пересекаются в одной точке и делятся в ней пополам.
Если четыре боковые грани параллелепипеда — прямоугольники, то он называется прямым. Прямой параллелепипед, у которого все шесть граней — прямоугольники, называется прямоугольным. Диагональ прямоугольного параллелепипеда d и его ребра a, b, c связаны соотношением d2 = a2 + b2 + c2. Прямоугольный параллелепипед, все грани которого квадраты, называется кубом. Все ребра куба равны.
Объем и площадь поверхности прямоугольного параллелепипеда:
V = a*b*c, Sполн = 2(ab + ac + bc).
Пирамида — это многогранник, у которого одна грань (основание пирамиды) является произвольным многоугольником, а остальные грани (боковые грани) — треугольники с общей вершиной, называемой вершиной пирамиды. Перпендикуляр, опущенный из вершины пирамиды на ее основание, называется высотой пирамиды. В зависимости от формы многоугольника, лежащего в основании, пирамида может быть, соответственно, треугольной, четырехугольной, пятиугольной, шестиугольной и т. д. Треугольная пирамида является тетраэдром, четырехугольная — пятигранником и т. д. Пирамида называется правильной, если в основании лежит правильный многоугольник, а ее высота падает в центр основания. Все боковые ребра правильной пирамиды равны; все боковые грани — равнобедренные треугольники. Высота боковой грани называется апофемой правильной пирамиды.
Если провести сечение, параллельное основанию пирамиды, то тело, заключенное между этими плоскостями и боковой поверхностью, называется усеченной пирамидой. Параллельные грани называются основаниями; расстояние между ними — высотой. Усеченная пирамида называется правильной, если пирамида, из которой она была получена, — правильная. Все боковые грани правильной усеченной пирамиды — равные равнобочные трапеции.
Площадь боковой поверхности правильной пирамиды:
Объем усеченной пирамиды:
Площадь боковой поверхности правильной усеченной пирамиды:
Цилиндрическая поверхность образуется при движении прямой, сохраняющей свое направление и пересекающейся с заданной линией (кривой). Эта линия называется направляющей. Прямые, соответствующие различным положениям прямой при ее движении, называются образующими цилиндрической поверхности.
Цилиндром называется тело, ограниченное цилиндрической поверхностью с замкнутой направляющей и двумя параллельными плоскостями. Части этих плоскостей называются основаниями цилиндра. Расстояние между основаниями — высота цилиндра. Цилиндр прямой, если его образующие перпендикулярны основанию; в противном случае цилиндр наклонный. Цилиндр называется круговым, если его основание — круг. Если цилиндр является одновременно и прямым, и круговым, то он называется круглым. Призма является частным случаем цилиндра.
Объем, площади боковой и полной поверхностей цилиндра:
Цилиндрические сечения боковой поверхности кругового цилиндра.
Сечения, параллельные основанию, — круги того же радиуса.
Сечения, параллельные образующим цилиндра, — пары параллельных прямых.
Сечения, которые не параллельны ни основанию, ни образующим, — эллипсы.
Коническая поверхность образуется при движении прямой, проходящей все время через неподвижную точку, и пересекающей за данную линию, называемую направляющей. Прямые, соответствующие различным положениям прямой при ее движении, называются образующими конической поверхности; точка — ее вершиной. Коническая поверхность состоит из двух частей: одна описывается лучом, другая — его продолжением.
Обычно в качестве конической поверхности рассматривают одну из её частей.
Конус — это тело, ограниченное одной из частей конической поверхности с замкнутой направляющей и пересекающей коническую поверхность плоскостью, не проходящей через вершину.
Часть этой плоскости, расположенной внутри конической поверхности, называется основанием конуса. Перпендикуляр, опущенный из вершины на основание, называется высотой конуса.
Пирамида является частным случаем конуса. Конус называется круговым, если его основанием является круг. Прямая, соединяющая вершину конуса с центром основания, называется осью конуса. Если высота кругового конуса совпадает с его осью, то такой конус называется круглым.
Объем, площади боковой и полной поверхностей конуса:
Объем и площадь боковой поверхности усеченного конуса:
Сечения кругового конуса, параллельные его основанию, — круги.
Сечение, пересекающее только одну часть кругового конуса и не параллельное ни одной его образующей, — эллипс.
Сечение, пересекающее только одну часть кругового конуса и параллельное одной из его образующих, — парабола.
Сечение, пересекающее обе части кругового конуса, в общем случае является гиперболой, состоящей из двух ветвей. В частности, если это сечение проходит через ось конуса, то получаем пару пересекающихся прямых (образующих конус).
Сферическая поверхность — это геометрическое место точек в пространстве, равноудаленных от одной точки, которая называется центром сферической поверхности.
Шар (сфера) — это тело, ограниченное сферической поверхностью. Можно получить шар, вращая полукруг (или круг) вокруг диаметра. Все плоские сечения шара — круги. Наибольший круг лежит в сечении, проходящем через центр шара, и называется большим кругом. Его радиус равен радиусу шара. Любые два больших круга пересекаются по диаметру шара. Этот диаметр является и диаметром пересекающихся больших кругов. Через две точки сферической поверхности, расположенные на концах одного диаметра, можно провести бесчисленное множество больших кругов.
Объем шара в полтора раза меньше объема описанного вокруг него цилиндра, а поверхность шара в полтора раза меньше полной поверхности того же цилиндра.
Часть шара (сферы), отсекаемая от него какой-либо плоскостью, называется шаровым (сферическим) сегментом. Круг называется основанием шарового сегмента. Отрезок перпендикуляра, проведенного из центра круга до пересечения со сферической поверхностью, называется высотой шарового сегмента. Часть сферы, заключенная между двумя параллельными плоскостями, пересекающими сферическую поверхность, называется шаровым слоем; кривая поверхность шарового слоя называется шаровым поясом (зоной). Расстояние между основаниями шарового пояса — его высота. Часть шара, ограниченная кривой поверхностью сферического сегмента и конической поверхностью, основанием которой служит основание сегмента, а вершиной — центр шара, называется шаровым сектором.