Как найти центр одной грани тетраэдра

Центр — грань — правильный тетраэдр

Cтраница 1

Центры граней правильного тетраэдра служат вершинами нового тетраэдра.
 [1]

Центры граней правильного тетраэдра служат вершинами нового правильного тетраэдра.
 [2]

Центры граней правильного тетраэдра служат вершинами нового тетраэдра.
 [3]

Определить расстояние от центра грани правильного тетраэдра до другой его грани, зная радиус вписанного шара.
 [4]

При этом каждая из четырех граней может быть выбрана в качестве ее основания. Перпендикуляр, опущенный из любой вершины тетраэдра на противолежащую грань, проходит через ее центр. Центры граней правильного тетраэдра являются вершинами вписанного в него правильного тетраэдра.
 [5]

Страницы:  

   1

Центры тяжести многоугольников и многогранников

Центром тяжести (или центром масс) некоторого тела называется точка, обладающая тем свойством, что если подвесить тело за эту точку, то оно будет сохранять свое положение.

Ниже рассмотрены двумерные и трёхмерные задачи, связанные с поиском различных центров масс — в основном с точки зрения вычислительной геометрии.

В рассмотренных ниже решениях можно выделить два основных факта. Первый — что центр масс системы материальных точек равен среднему их координат, взятых с коэффициентами, пропорциональными их массам. Второй факт — что если мы знаем центры масс двух непересекающихся фигур, то центр масс их объединения будет лежать на отрезке, соединяющем эти два центра, причём он будет делить его в то же отношении, как масса второй фигуры относится к массе первой.

Двумерный случай: многоугольники

На самом деле, говоря о центре масс двумерной фигуры, можно иметь в виду одну из трёх следующих задач:

• Центр масс системы точек — т.е. вся масса сосредоточена только в вершинах многоугольника.
• Центр масс каркаса — т.е. масса многоугольника сосредоточена на его периметре.
• Центр масс сплошной фигуры — т.е. масса многоугольника распределена по всей его площади.

Каждая из этих задач имеет самостоятельное решение, и будет рассмотрена ниже отдельно.

Центр масс системы точек

Это самая простая из трёх задач, и её решение — известная физическая формула центра масс системы материальных точек:

где — массы точек, — их радиус-векторы (задающие их положение относительно начала координат), и — искомый радиус-вектор центра масс.

В частности, если все точки имеют одинаковую массу, то координаты центра масс есть среднее арифметическое координат точек. Для треугольника эта точка называется центроидом и совпадает с точкой пересечения медиан:

Для доказательства этих формул достаточно вспомнить, что равновесие достигается в такой точке , в которой сумма моментов всех сил равна нулю. В данном случае это превращается в условие того, чтобы сумма радиус-векторов всех точек относительно точки , домноженных на массы соответствующих точек, равнялась нулю:

и, выражая отсюда , мы и получаем требуемую формулу.

Центр масс каркаса

Будем считать для простоты, что каркас однороден, т.е. его плотность везде одна и та же.

Но тогда каждую сторону многоугольника можно заменить одной точкой — серединой этого отрезка (т.к. центр масс однородного отрезка есть середина этого отрезка), с массой, равной длине этого отрезка.

Теперь мы получили задачу о системе материальных точек, и применяя к ней решение из предыдущего пункта, мы находим:

где — точка-середина -ой стороны многоугольника, — длина -ой стороны, — периметр, т.е. сумма длин сторон.

Для треугольника можно показать следующее утверждение: эта точка является точкой пересечения биссектрис треугольника, образованного серединами сторон исходного треугольника. (чтобы показать это, надо воспользоваться приведённой выше формулой, и затем заметить, что биссектрисы делят стороны получившегося треугольника в тех же соотношениях, что и центры масс этих сторон).

Центр масс сплошной фигуры

Мы считаем, что масса распределена по фигуре однородно, т.е. плотность в каждой точке фигуры равна одному и тому же числу.

Случай треугольника

Утверждается, что для треугольника ответом будет всё тот же центроид, т.е. точка, образованная средним арифметическим координат вершин:

Случай треугольника: доказательство

Приведём здесь элементарное доказательство, не использующее теорию интегралов.

Первым подобное, чисто геометрическое, доказательство привёл Архимед, но оно было весьма сложным, с большим числом геометрических построений. Приведённое здесь доказательство взято из статьи Apostol, Mnatsakanian «Finding Centroids the Easy Way».

Доказательство сводится к тому, чтобы показать, что центр масс треугольника лежит на одной из медиан; повторяя этот процесс ещё дважды, мы тем самым покажем, что центр масс лежит в точке пересечения медиан, которая и есть центроид.

Разобьём данный треугольник на четыре, соединив середины сторон, как показано на рисунке:

Четыре получившихся треугольника подобны треугольнику с коэффициентом .

Треугольники №1 и №2 вместе образуют параллелограмм, центр масс которого лежит в точке пересечения его диагоналей (поскольку это фигура, симметричная относительно обеих диагоналей, а, значит, её центр масс обязан лежать на каждой из двух диагоналей). Точка находится посередине общей стороны треугольников №1 и №2, а также лежит на медиане треугольника :

Пусть теперь вектор — вектор, проведённый из вершины к центру масс треугольника №1, и пусть вектор — вектор, проведённый из к точке (которая, напомним, является серединой стороны, на которой она лежит):

Наша цель — показать, что вектора и коллинеарны.

Обозначим через и точки, являющиеся центрами масс треугольников №3 и №4. Тогда, очевидно, центром масс совокупности этих двух треугольников будет точка , являющаяся серединой отрезка . Более того, вектор от точки к точке совпадает с вектором .

Искомый центр масс треугольника лежит посередине отрезка, соединяющего точки и (поскольку мы разбили треугольник на две части равных площадей: №1-№2 и №3-№4):

Таким образом, вектор от вершины к центроиду равен . С другой стороны, т.к. треугольник №1 подобен треугольнику с коэффициентом , то этот же вектор равен . Отсюда получаем уравнение:

Таким образом, мы доказали, что вектора и коллинеарны, что и означает, что искомый центроид лежит на медиане, исходящей из вершины .

Более того, попутно мы доказали, что центроид делит каждую медиану в отношении , считая от вершины.

Случай многоугольника

Перейдём теперь к общему случаю — т.е. к случаю мноугоугольника. Для него такие рассуждения уже неприменимы, поэтому сведём задачу к треугольной: а именно, разобьём многоугольник на треугольники (т.е. триангулируем его), найдём центр масс каждого треугольника, а затем найдём центр масс получившихся центров масс треугольников.

Окончательная формула получается следующей:

где — центроид -го треугольника в триангуляции заданного многоугольника, — площадь -го треугольника триангуляции, — площадь всего многоугольника.

Триангуляция выпуклого многоугольника — тривиальная задача: для этого, например, можно взять треугольники , где .

Случай многоугольника: альтернативный способ

С другой стороны, применение приведённой формулы не очень удобно для невыпуклых многоугольников, поскольку произвести их триангуляцию — сама по себе непростая задача. Но для таких многоугольников можно придумать более простой подход. А именно, проведём аналогию с тем, как можно искать площадь произвольного многоугольника: выбирается произвольная точка , а затем суммируются знаковые площади треугольников, образованных этой точкой и точками многоугольника: . Аналогичный приём можно применить и для поиска центра масс: только теперь мы будем суммировать центры масс треугольников , взятых с коэффициентами, пропорциональными их площадям, т.е. итоговая формула для центра масс такова:

где — произвольная точка, — точки многоугольника, — центроид треугольника , — знаковая площадь этого треугольника, — знаковая площадь всего многоугольника (т.е. ).

Трёхмерный случай: многогранники

Аналогично двумерному случаю, в 3D можно говорить сразу о четырёх возможных постановках задачи:

• Центр масс системы точек — вершин многогранника.
• Центр масс каркаса — рёбер многогранника.
• Центр масс поверхности — т.е. масса распределена по площади поверхности многогранника.
• Центр масс сплошного многогранника — т.е. масса распределена по всему многограннику.

Центр масс системы точек

Как и в двумерном случае, мы можем применить физическую формулу и получить тот же самый результат:

который в случае равных масс превращается в среднее арифметическое координат всех точек.

Центр масс каркаса многогранника

Аналогично двумерному случаю, мы просто заменяем каждое ребро многогранника материальной точкой, расположенной посередине этого ребра, и с массой, равной длине этого ребра. Получив задачу о материальных точках, мы легко находим её решение как взвешенную сумму координат этих точек.

Центр масс поверхности многогранника

Каждая грань поверхности многогранника — двухмерная фигура, центр масс которой мы умеем искать. Найдя эти центры масс и заменив каждую грань её центром масс, мы получим задачу с материальными точками, которую уже легко решить.

Центр масс сплошного многогранника

Случай тетраэдра

Как и в двумерном случае, решим сначала простейшую задачу — задачу для тетраэдра.

Утверждается, что центр масс тетраэдра совпадает с точкой пересечения его медиан (медианой тетраэдра называется отрезок, проведённый из его вершины в центр масс противоположной грани; таким образом, медиана тетраэдра проходит через вершину и через точку пересечения медиан треугольной грани).

Почему это так? Здесь верны рассуждения, аналогичные двумерному случаю: если мы рассечём тетраэдр на два тетраэдра с помощью плоскости, проходящей через вершину тетраэдра и какую-нибудь медиану противоположной грани, то оба получившихся тетраэдра будут иметь одинаковый объём (т.к. треугольная грань разобьётся медианой на два треугольника равной площади, а высота двух тетраэдров не изменится). Повторяя эти рассуждения несколько раз, получаем, что центр масс лежит на точке пересечения медиан тетраэдра.

Эта точка — точка пересечения медиан тетраэдра — называется его центроидом. Можно показать, что она на самом деле имеет координаты, равные среднему арифметическому координат вершин тетраэдра:

(это можно вывести из того факта, что центроид делит медианы в отношении )

Таким образом, между случаями тетраэдра и треугольника принципиальной разницы нет: точка, равная среднему арифметическому вершин, является центром масс сразу в двух постановках задачи: и когда массы находится только в вершинах, и когда массы распределены по всей площади/объёму. На самом деле, этот результат обобщается на произвольную размерность: центр масс произвольного симплекса (simplex) есть среднее арифметическое координат его вершин.

Случай произвольного многогранника

Перейдём теперь к общему случаю — случаю произвольного многогранника.

Снова, как и в двумерном случае, мы производим сведение этой задачи к уже решённой: разбиваем многогранник на тетраэдры (т.е. производим его тетраэдризацию), находим центр масс каждого из них, и получаем окончательный ответ на задачу в виде взвешенной суммы найденных центров масс.

Пирамида

Пирамида – многогранник, основание которого — многоугольник , а остальные грани — треугольники, имеющие общую вершину.

По числу углов основания различают пирамиды треугольные , четырёхугольные и т. д.

Вершина пирамиды — точка, соединяющая боковые рёбра и не лежащая в плоскости основания.

Основание — многоугольник, которому не принадлежит вершина пирамиды.

Апофема — высота боковой грани правильной пирамиды, проведенная из ее вершины.

Высота — отрезок перпендикуляра, проведённого через вершину пирамиды к плоскости её основания (концами этого отрезка являются вершина пирамиды и основание перпендикуляра).

Диагональное сечение пирамиды — сечение пирамиды, проходящее через вершину и диагональ основания.

Некоторые свойства пирамиды

1) Если все боковые ребра равны, то

– около основания пирамиды можно описать окружность, причём вершина пирамиды проецируется в её центр

– боковые ребра образуют с плоскостью основания равные углы

Верно и обратное.

Если боковые ребра образуют с плоскостью основания равные углы, то все боковые ребра пирамиды равны.

Если около основания пирамиды можно описать окружность, причём вершина пирамиды проецируется в её центр, то все боковые ребра пирамиды равны.

2) Если все грани пирамиды наклонены к плоскости основания под одним углом , то в основание пирамиды можно вписать окружность, причём вершина пирамиды проецируется в её центр

Верно и обратное.

Виды пирамид

Пирамида называется правильной , если основанием её является правильный многоугольник, а вершина проецируется в центр основания.

Для правильной пирамиды справедливо:

– боковые ребра правильной пирамиды равны;

– в правильной пирамиде все боковые грани — равные равнобедренные треугольники;

– в любую правильную пирамиду можно вписать сферу;

– около любой правильной пирамиды можно описать сферу;

– площадь боковой поверхности правильной пирамиды равна половине произведения периметра основания на апофему.

Пирамида называется прямоугольной , если одно из боковых рёбер пирамиды перпендикулярно основанию. Тогда это ребро и есть высота пирамиды.

Усечённой пирамидой называется многогранник, заключённый между основанием пирамиды и секущей плоскостью, параллельной её основанию.

Тетраэдр – треугольная пирамида. В тетраэдре любая из граней может быть принята за основание пирамиды.

Пирамида. Правильная пирамида

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Данный видеоурок поможет пользователям получить представление о теме Пирамида. Правильная пирамида. На этом занятии мы познакомимся с понятием пирамиды, дадим ей определение. Рассмотрим, что такое правильная пирамида и какими свойствами она обладает. Затем докажем теорему о боковой поверхности правильной пирамиды.

Regular tetrahedron
(Click here for rotating model)
Type	Platonic solid
Elements	F = 4, E = 6 V = 4 (χ = 2)
Faces by sides	4{3}
Conway notation	T
Schläfli symbols	{3,3}
h{4,3}, s{2,4}, sr{2,2}
Face configuration	V3.3.3
Wythoff symbol	3 | 2 3 | 2 2 2
Coxeter diagram	=
Symmetry	Td, A3, [3,3], (*332)
Rotation group	T, [3,3]+, (332)
References	U01, C15, W1
Properties	regular, convexdeltahedron
Dihedral angle	70.528779° = arccos(1⁄3)
3.3.3 (Vertex figure)	Self-dual (dual polyhedron)
Net

In geometry, a tetrahedron (plural: tetrahedra or tetrahedrons), also known as a triangular pyramid, is a polyhedron composed of four triangular faces, six straight edges, and four vertex corners. The tetrahedron is the simplest of all the ordinary convex polyhedra.^[1]

The tetrahedron is the three-dimensional case of the more general concept of a Euclidean simplex, and may thus also be called a 3-simplex.

The tetrahedron is one kind of pyramid, which is a polyhedron with a flat polygon base and triangular faces connecting the base to a common point. In the case of a tetrahedron the base is a triangle (any of the four faces can be considered the base), so a tetrahedron is also known as a «triangular pyramid».

Like all convex polyhedra, a tetrahedron can be folded from a single sheet of paper. It has two such nets.^[1]

For any tetrahedron there exists a sphere (called the circumsphere) on which all four vertices lie, and another sphere (the insphere) tangent to the tetrahedron’s faces.^[2]

Regular tetrahedron[edit]

A regular tetrahedron is a tetrahedron in which all four faces are equilateral triangles. It is one of the five regular Platonic solids, which have been known since antiquity.

In a regular tetrahedron, all faces are the same size and shape (congruent) and all edges are the same length.

Regular tetrahedra alone do not tessellate (fill space), but if alternated with regular octahedra in the ratio of two tetrahedra to one octahedron, they form the alternated cubic honeycomb, which is a tessellation. Some tetrahedra that are not regular, including the Schläfli orthoscheme and the Hill tetrahedron, can tessellate.

The regular tetrahedron is self-dual, which means that its dual is another regular tetrahedron. The compound figure comprising two such dual tetrahedra form a stellated octahedron or stella octangula.

Coordinates for a regular tetrahedron[edit]

The following Cartesian coordinates define the four vertices of a tetrahedron with edge length 2, centered at the origin, and two level edges:

Expressed symmetrically as 4 points on the unit sphere, centroid at the origin, with lower face parallel to the plane, the vertices are:

with the edge length of .

Still another set of coordinates are based on an alternated cube or demicube with edge length 2. This form has Coxeter diagram and Schläfli symbol h{4,3}. The tetrahedron in this case has edge length 2√2. Inverting these coordinates generates the dual tetrahedron, and the pair together form the stellated octahedron, whose vertices are those of the original cube.

Tetrahedron: (1,1,1), (1,−1,−1), (−1,1,−1), (−1,−1,1)

Dual tetrahedron: (−1,−1,−1), (−1,1,1), (1,−1,1), (1,1,−1)

Angles and distances[edit]

For a regular tetrahedron of edge length a:

Face area
Surface area[3]
Height of pyramid[4]
Centroid to vertex distance
Edge to opposite edge distance
Volume[3]
Face-vertex-edge angle	(approx. 54.7356°)
Face-edge-face angle, i.e., «dihedral angle»[3]	(approx. 70.5288°)
Vertex-Center-Vertex angle,[5] the angle between lines from the tetrahedron center to any two vertices. It is also the angle between Plateau borders at a vertex. In chemistry it is called the tetrahedral bond angle. This angle (in radians) is also the length of the circular arc on the unit sphere resulting from centrally projecting one edge of the tetrahedron to the sphere.	(approx. 109.4712°)
Solid angle at a vertex subtended by a face	(approx. 0.55129 steradians) (approx. 1809.8 square degrees)
Radius of circumsphere[3]
Radius of insphere that is tangent to faces[3]
Radius of midsphere that is tangent to edges[3]
Radius of exspheres
Distance to exsphere center from the opposite vertex

With respect to the base plane the slope of a face (2√2) is twice that of an edge (√2), corresponding to the fact that the horizontal distance covered from the base to the apex along an edge is twice that along the median of a face. In other words, if C is the centroid of the base, the distance from C to a vertex of the base is twice that from C to the midpoint of an edge of the base. This follows from the fact that the medians of a triangle intersect at its centroid, and this point divides each of them in two segments, one of which is twice as long as the other (see proof).

For a regular tetrahedron with side length a, radius R of its circumscribing sphere, and distances d_i from an arbitrary point in 3-space to its four vertices, we have^[6]

Isometries of the regular tetrahedron[edit]

The vertices of a cube can be grouped into two groups of four, each forming a regular tetrahedron (see above, and also animation, showing one of the two tetrahedra in the cube). The symmetries of a regular tetrahedron correspond to half of those of a cube: those that map the tetrahedra to themselves, and not to each other.

The tetrahedron is the only Platonic solid that is not mapped to itself by point inversion.

The regular tetrahedron has 24 isometries, forming the symmetry group T_d, [3,3], (*332), isomorphic to the symmetric group, S₄. They can be categorized as follows:

• T, [3,3]⁺, (332) is isomorphic to alternating group, A₄ (the identity and 11 proper rotations) with the following conjugacy classes (in parentheses are given the permutations of the vertices, or correspondingly, the faces, and the unit quaternion representation):
  • identity (identity; 1)
  • rotation about an axis through a vertex, perpendicular to the opposite plane, by an angle of ±120°: 4 axes, 2 per axis, together 8 ((1 2 3), etc.; 1 ± i ± j ± k/2)
  • rotation by an angle of 180° such that an edge maps to the opposite edge: 3 ((1 2)(3 4), etc.; i, j, k)
• reflections in a plane perpendicular to an edge: 6
• reflections in a plane combined with 90° rotation about an axis perpendicular to the plane: 3 axes, 2 per axis, together 6; equivalently, they are 90° rotations combined with inversion (x is mapped to −x): the rotations correspond to those of the cube about face-to-face axes

Orthogonal projections of the regular tetrahedron[edit]

The regular tetrahedron has two special orthogonal projections, one centered on a vertex or equivalently on a face, and one centered on an edge. The first corresponds to the A₂ Coxeter plane.

Centered by	Face/vertex	Edge
Image
Projective symmetry	[3]	[4]

Cross section of regular tetrahedron[edit]

The two skew perpendicular opposite edges of a regular tetrahedron define a set of parallel planes. When one of these planes intersects the tetrahedron the resulting cross section is a rectangle.^[7] When the intersecting plane is near one of the edges the rectangle is long and skinny. When halfway between the two edges the intersection is a square. The aspect ratio of the rectangle reverses as you pass this halfway point. For the midpoint square intersection the resulting boundary line traverses every face of the tetrahedron similarly. If the tetrahedron is bisected on this plane, both halves become wedges.

This property also applies for tetragonal disphenoids when applied to the two special edge pairs.

Spherical tiling[edit]

The tetrahedron can also be represented as a spherical tiling, and projected onto the plane via a stereographic projection. This projection is conformal, preserving angles but not areas or lengths. Straight lines on the sphere are projected as circular arcs on the plane.

Orthographic projection	Stereographic projection

Helical stacking[edit]

Regular tetrahedra can be stacked face-to-face in a chiral aperiodic chain called the Boerdijk–Coxeter helix.

In four dimensions, all the convex regular 4-polytopes with tetrahedral cells (the 5-cell, 16-cell and 600-cell) can be constructed as tilings of the 3-sphere by these chains, which become periodic in the three-dimensional space of the 4-polytope’s boundary surface.

Irregular tetrahedra[edit]

Tetrahedra which do not have four equilateral faces are categorized and named by the symmetries they do possess.

If all three pairs of opposite edges of a tetrahedron are perpendicular, then it is called an orthocentric tetrahedron. When only one pair of opposite edges are perpendicular, it is called a semi-orthocentric tetrahedron.

An isodynamic tetrahedron is one in which the cevians that join the vertices to the incenters of the opposite faces are concurrent.

An isogonic tetrahedron has concurrent cevians that join the vertices to the points of contact of the opposite faces with the inscribed sphere of the tetrahedron.

Trirectangular tetrahedron[edit]

In a trirectangular tetrahedron the three face angles at one vertex are right angles, as at the corner of a cube.

Kepler discovered the relationship between the cube, regular tetrahedron and trirectangular tetrahedron.^[8]

Disphenoid[edit]

A disphenoid is a tetrahedron with four congruent triangles as faces; the triangles necessarily have all angles acute. The regular tetrahedron is a special case of a disphenoid. Other names for the same shape include bisphenoid, isosceles tetrahedron and equifacial tetrahedron.

Orthoschemes[edit]

A 3-orthoscheme is a tetrahedron where all four faces are right triangles.^[a] An orthoscheme is an irregular simplex that is the convex hull of a tree in which all edges are mutually perpendicular. In a 3-dimensional orthoscheme, the tree consists of three perpendicular edges connecting all four vertices in a linear path that makes two right-angled turns. The 3-orthoscheme is a tetrahedron having two right angles at each of two vertices, so another name for it is birectangular tetrahedron. It is also called a quadrirectangular tetrahedron because it contains four right angles.^[9]

Coxeter also calls quadrirectangular tetrahedra characteristic tetrahedra, because of their integral relationship to the regular polytopes and their symmetry groups.^[10] For example, the special case of a 3-orthoscheme with equal-length perpendicular edges is characteristic of the cube, which means that the cube can be subdivided into instances of this orthoscheme. If its three perpendicular edges are of unit length, its remaining edges are two of length √2 and one of length √3, so all its edges are edges or diagonals of the cube. The cube can be dissected into six such 3-orthoschemes four different ways, with all six surrounding the same √3 cube diagonal. The cube can also be dissected into 48 smaller instances of this same characteristic 3-orthoscheme (just one way, by all of its symmetry planes at once).^[b] The characteristic tetrahedron of the cube is an example of a Heronian tetrahedron.

Every regular polytope, including the regular tetrahedron, has its characteristic orthoscheme.^[c] There is a 3-orthoscheme which is the characteristic tetrahedron of the regular tetrahedron. The regular tetrahedron is subdivided into 24 instances of its characteristic tetrahedron by its planes of symmetry.^[d]

Characteristics of the regular tetrahedron[13]
	edge	arc	dihedral
𝒍		109°28′16″		70°31′44″
𝟀		70°31′44″		60°
𝝓		54°44′8″		60°
𝟁		54°44′8″		60°
		35°15′52″

If the regular tetrahedron has edge length 𝒍 = 2, its characteristic tetrahedron’s six edges have lengths , , (the exterior right triangle face, the characteristic triangle 𝟀, 𝝓, 𝟁), plus , , (edges that are the characteristic radii of the regular tetrahedron). The 3-edge path along orthogonal edges of the orthoscheme is , , , first from a tetrahedron vertex to an tetrahedron edge center, then turning 90° to an tetrahedron face center, then turning 90° to the tetrahedron center. The orthoscheme has four dissimilar right triangle faces. The exterior face is a 60-90-30 triangle which is one-sixth of a tetrahedron face. The three faces interior to the tetrahedron are: a right triangle with edges , , , a right triangle with edges , , , and a right triangle with edges , , .

Space-filling tetrahedra[edit]

A space-filling tetrahedron packs with directly congruent or enantiomorphous (mirror image) copies of itself to tile space.^[14] The cube can be dissected into six 3-orthoschemes, three left-handed and three right-handed (one of each at each cube face), and cubes can fill space, so the characteristic 3-orthoscheme of the cube is a space-filling tetrahedron in this sense.^[e] A disphenoid can be a space-filling tetrahedron in the directly congruent sense, as in the disphenoid tetrahedral honeycomb. Regular tetrahedra, however, cannot fill space by themselves.^[f]

Fundamental domains[edit]

An irregular tetrahedron which is the fundamental domain^[15] of a symmetry group is an example of a Goursat tetrahedron. The Goursat tetrahedra generate all the regular polyhedra (and many other uniform polyhedra) by mirror reflections, a process referred to as Wythoff’s kaleidoscopic construction.

For polyhedra, Wythoff’s construction arranges three mirrors at angles to each other, as in a kaleidoscope. Unlike a cylindrical kaleidoscope, Wythoff’s mirrors are located at three faces of a Goursat tetrahedron such that all three mirrors intersect at a single point.^[g]

Among the Goursat tetrahedra which generate 3-dimensional honeycombs we can recognize an orthoscheme (the characteristic tetrahedron of the cube), a double orthoscheme (the characteristic tetrahedron of the cube face-bonded to its mirror image), and the space-filling disphenoid illustrated above.^[10] The disphenoid is the double orthoscheme face-bonded to its mirror image (a quadruple orthoscheme). Thus all three of these Goursat tetrahedra, and all the polyhedra they generate by reflections, can be dissected into characteristic tetrahedra of the cube.

Isometries of irregular tetrahedra[edit]

The isometries of an irregular (unmarked) tetrahedron depend on the geometry of the tetrahedron, with 7 cases possible. In each case a 3-dimensional point group is formed. Two other isometries (C₃, [3]⁺), and (S₄, [2⁺,4⁺]) can exist if the face or edge marking are included. Tetrahedral diagrams are included for each type below, with edges colored by isometric equivalence, and are gray colored for unique edges.

Tetrahedron name	Edge equivalence diagram	Description
Symmetry
Schön.	Cox.	Orb.	Ord.
Regular tetrahedron		Four equilateral triangles It forms the symmetry group Td, isomorphic to the symmetric group, S4. A regular tetrahedron has Coxeter diagram and Schläfli symbol {3,3}.
Td T	[3,3] [3,3]+	*332 332	24 12
Triangular pyramid		An equilateral triangle base and three equal isosceles triangle sides It gives 6 isometries, corresponding to the 6 isometries of the base. As permutations of the vertices, these 6 isometries are the identity 1, (123), (132), (12), (13) and (23), forming the symmetry group C3v, isomorphic to the symmetric group, S3. A triangular pyramid has Schläfli symbol {3}∨( ).
C3v C3	[3] [3]+	*33 33	6 3
Mirrored sphenoid		Two equal scalene triangles with a common base edge This has two pairs of equal edges (1,3), (1,4) and (2,3), (2,4) and otherwise no edges equal. The only two isometries are 1 and the reflection (34), giving the group Cs, also isomorphic to the cyclic group, Z2.
Cs =C1h =C1v	[ ]	*	2
Irregular tetrahedron (No symmetry)		Four unequal triangles Its only isometry is the identity, and the symmetry group is the trivial group. An irregular tetrahedron has Schläfli symbol ( )∨( )∨( )∨( ).
C1	[ ]+	1	1
Disphenoids (Four equal triangles)
Tetragonal disphenoid		Four equal isosceles triangles It has 8 isometries. If edges (1,2) and (3,4) are of different length to the other 4 then the 8 isometries are the identity 1, reflections (12) and (34), and 180° rotations (12)(34), (13)(24), (14)(23) and improper 90° rotations (1234) and (1432) forming the symmetry group D2d. A tetragonal disphenoid has Coxeter diagram and Schläfli symbol s{2,4}.
D2d S4	[2+,4] [2+,4+]	2*2 2×	8 4
Rhombic disphenoid		Four equal scalene triangles It has 4 isometries. The isometries are 1 and the 180° rotations (12)(34), (13)(24), (14)(23). This is the Klein four-group V4 or Z22, present as the point group D2. A rhombic disphenoid has Coxeter diagram and Schläfli symbol sr{2,2}.
D2	[2,2]+	222	4
Generalized disphenoids (2 pairs of equal triangles)
Digonal disphenoid		Two pairs of equal isosceles triangles This gives two opposite edges (1,2) and (3,4) that are perpendicular but different lengths, and then the 4 isometries are 1, reflections (12) and (34) and the 180° rotation (12)(34). The symmetry group is C2v, isomorphic to the Klein four-group V4. A digonal disphenoid has Schläfli symbol { }∨{ }.
C2v C2	[2] [2]+	*22 22	4 2
Phyllic disphenoid		Two pairs of equal scalene or isosceles triangles This has two pairs of equal edges (1,3), (2,4) and (1,4), (2,3) but otherwise no edges equal. The only two isometries are 1 and the rotation (12)(34), giving the group C2 isomorphic to the cyclic group, Z2.
C2	[2]+	22	2

General properties[edit]

Volume[edit]

The volume of a tetrahedron is given by the pyramid volume formula:

where A₀ is the area of the base and h is the height from the base to the apex. This applies for each of the four choices of the base, so the distances from the apices to the opposite faces are inversely proportional to the areas of these faces.

For a tetrahedron with vertices
a = (a₁, a₂, a₃),
b = (b₁, b₂, b₃),
c = (c₁, c₂, c₃), and
d = (d₁, d₂, d₃), the volume is 1/6|det(a − d, b − d, c − d)|, or any other combination of pairs of vertices that form a simply connected graph. This can be rewritten using a dot product and a cross product, yielding

If the origin of the coordinate system is chosen to coincide with vertex d, then d = 0, so

where a, b, and c represent three edges that meet at one vertex, and a · (b × c) is a scalar triple product. Comparing this formula with that used to compute the volume of a parallelepiped, we conclude that the volume of a tetrahedron is equal to 1/6 of the volume of any parallelepiped that shares three converging edges with it.

The absolute value of the scalar triple product can be represented as the following absolute values of determinants:

 or  where  are expressed as row or column vectors.

Hence

 where 

which gives

where α, β, γ are the plane angles occurring in vertex d. The angle α, is the angle between the two edges connecting the vertex d to the vertices b and c. The angle β, does so for the vertices a and c, while γ, is defined by the position of the vertices a and b.

If we do not require that d = 0 then

Given the distances between the vertices of a tetrahedron the volume can be computed using the Cayley–Menger determinant:

where the subscripts i, j ∈ {1, 2, 3, 4} represent the vertices {a, b, c, d} and d_ij is the pairwise distance between them – i.e., the length of the edge connecting the two vertices. A negative value of the determinant means that a tetrahedron cannot be constructed with the given distances. This formula, sometimes called Tartaglia’s formula, is essentially due to the painter Piero della Francesca in the 15th century, as a three dimensional analogue of the 1st century Heron’s formula for the area of a triangle.^[16]

Let a, b, c be three edges that meet at a point, and x, y, z the opposite edges. Let V be the volume of the tetrahedron; then^[17]

where

The above formula uses six lengths of edges, and the following formula uses three lengths of edges and three angles.

Heron-type formula for the volume of a tetrahedron[edit]

If U, V, W, u, v, w are lengths of edges of the tetrahedron (first three form a triangle; with u opposite U, v opposite V, w opposite W), then^[18]

where

Volume divider[edit]

Any plane containing a bimedian (connector of opposite edges’ midpoints) of a tetrahedron bisects the volume of the tetrahedron.^[19]

Non-Euclidean volume[edit]

For tetrahedra in hyperbolic space or in three-dimensional elliptic geometry, the dihedral angles of the tetrahedron determine its shape and hence its volume. In these cases, the volume is given by the Murakami–Yano formula.^[20] However, in Euclidean space, scaling a tetrahedron changes its volume but not its dihedral angles, so no such formula can exist.

Distance between the edges[edit]

Any two opposite edges of a tetrahedron lie on two skew lines, and the distance between the edges is defined as the distance between the two skew lines. Let d be the distance between the skew lines formed by opposite edges a and b − c as calculated here. Then another volume formula is given by

Properties analogous to those of a triangle[edit]

The tetrahedron has many properties analogous to those of a triangle, including an insphere, circumsphere, medial tetrahedron, and exspheres. It has respective centers such as incenter, circumcenter, excenters, Spieker center and points such as a centroid. However, there is generally no orthocenter in the sense of intersecting altitudes.^[21]

Gaspard Monge found a center that exists in every tetrahedron, now known as the Monge point: the point where the six midplanes of a tetrahedron intersect. A midplane is defined as a plane that is orthogonal to an edge joining any two vertices that also contains the centroid of an opposite edge formed by joining the other two vertices. If the tetrahedron’s altitudes do intersect, then the Monge point and the orthocenter coincide to give the class of orthocentric tetrahedron.

An orthogonal line dropped from the Monge point to any face meets that face at the midpoint of the line segment between that face’s orthocenter and the foot of the altitude dropped from the opposite vertex.

A line segment joining a vertex of a tetrahedron with the centroid of the opposite face is called a median and a line segment joining the midpoints of two opposite edges is called a bimedian of the tetrahedron. Hence there are four medians and three bimedians in a tetrahedron. These seven line segments are all concurrent at a point called the centroid of the tetrahedron.^[22] In addition the four medians are divided in a 3:1 ratio by the centroid (see Commandino’s theorem). The centroid of a tetrahedron is the midpoint between its Monge point and circumcenter. These points define the Euler line of the tetrahedron that is analogous to the Euler line of a triangle.

The nine-point circle of the general triangle has an analogue in the circumsphere of a tetrahedron’s medial tetrahedron. It is the twelve-point sphere and besides the centroids of the four faces of the reference tetrahedron, it passes through four substitute Euler points, one third of the way from the Monge point toward each of the four vertices. Finally it passes through the four base points of orthogonal lines dropped from each Euler point to the face not containing the vertex that generated the Euler point.^[23]

The center T of the twelve-point sphere also lies on the Euler line. Unlike its triangular counterpart, this center lies one third of the way from the Monge point M towards the circumcenter. Also, an orthogonal line through T to a chosen face is coplanar with two other orthogonal lines to the same face. The first is an orthogonal line passing through the corresponding Euler point to the chosen face. The second is an orthogonal line passing through the centroid of the chosen face. This orthogonal line through the twelve-point center lies midway between the Euler point orthogonal line and the centroidal orthogonal line. Furthermore, for any face, the twelve-point center lies at the midpoint of the corresponding Euler point and the orthocenter for that face.

The radius of the twelve-point sphere is one third of the circumradius of the reference tetrahedron.

There is a relation among the angles made by the faces of a general tetrahedron given by^[24]

where α_ij is the angle between the faces i and j.

The geometric median of the vertex position coordinates of a tetrahedron and its isogonic center are associated, under circumstances analogous to those observed for a triangle. Lorenz Lindelöf found that, corresponding to any given tetrahedron is a point now known as an isogonic center, O, at which the solid angles subtended by the faces are equal, having a common value of π sr, and at which the angles subtended by opposite edges are equal.^[25] A solid angle of π sr is one quarter of that subtended by all of space. When all the solid angles at the vertices of a tetrahedron are smaller than π sr, O lies inside the tetrahedron, and because the sum of distances from O to the vertices is a minimum, O coincides with the geometric median, M, of the vertices. In the event that the solid angle at one of the vertices, v, measures exactly π sr, then O and M coincide with v. If however, a tetrahedron has a vertex, v, with solid angle greater than π sr, M still corresponds to v, but O lies outside the tetrahedron.

Geometric relations[edit]

A tetrahedron is a 3-simplex. Unlike the case of the other Platonic solids, all the vertices of a regular tetrahedron are equidistant from each other (they are the only possible arrangement of four equidistant points in 3-dimensional space).

A tetrahedron is a triangular pyramid, and the regular tetrahedron is self-dual.

A regular tetrahedron can be embedded inside a cube in two ways such that each vertex is a vertex of the cube, and each edge is a diagonal of one of the cube’s faces. For one such embedding, the Cartesian coordinates of the vertices are

(+1, +1, +1);

(−1, −1, +1);

(−1, +1, −1);

(+1, −1, −1).

This yields a tetrahedron with edge-length 2√2, centered at the origin. For the other tetrahedron (which is dual to the first), reverse all the signs. These two tetrahedra’s vertices combined are the vertices of a cube, demonstrating that the regular tetrahedron is the 3-demicube.

The volume of this tetrahedron is one-third the volume of the cube. Combining both tetrahedra gives a regular polyhedral compound called the compound of two tetrahedra or stella octangula.

The interior of the stella octangula is an octahedron, and correspondingly, a regular octahedron is the result of cutting off, from a regular tetrahedron, four regular tetrahedra of half the linear size (i.e., rectifying the tetrahedron).

The above embedding divides the cube into five tetrahedra, one of which is regular. In fact, five is the minimum number of tetrahedra required to compose a cube. To see this, starting from a base tetrahedron with 4 vertices, each added tetrahedra adds at most 1 new vertex, so at least 4 more must be added to make a cube, which has 8 vertices.

Inscribing tetrahedra inside the regular compound of five cubes gives two more regular compounds, containing five and ten tetrahedra.

Regular tetrahedra cannot tessellate space by themselves, although this result seems likely enough that Aristotle claimed it was possible. However, two regular tetrahedra can be combined with an octahedron, giving a rhombohedron that can tile space as the tetrahedral-octahedral honeycomb.

However, several irregular tetrahedra are known, of which copies can tile space, for instance the characteristic orthoscheme of the cube and the disphenoid of the disphenoid tetrahedral honeycomb. The complete list remains an open problem.^[26]

If one relaxes the requirement that the tetrahedra be all the same shape, one can tile space using only tetrahedra in many different ways. For example, one can divide an octahedron into four identical tetrahedra and combine them again with two regular ones. (As a side-note: these two kinds of tetrahedron have the same volume.)

The tetrahedron is unique among the uniform polyhedra in possessing no parallel faces.

A law of sines for tetrahedra and the space of all shapes of tetrahedra[edit]

A corollary of the usual law of sines is that in a tetrahedron with vertices O, A, B, C, we have

One may view the two sides of this identity as corresponding to clockwise and counterclockwise orientations of the surface.

Putting any of the four vertices in the role of O yields four such identities, but at most three of them are independent: If the «clockwise» sides of three of them are multiplied and the product is inferred to be equal to the product of the «counterclockwise» sides of the same three identities, and then common factors are cancelled from both sides, the result is the fourth identity.

Three angles are the angles of some triangle if and only if their sum is 180° (π radians). What condition on 12 angles is necessary and sufficient for them to be the 12 angles of some tetrahedron? Clearly the sum of the angles of any side of the tetrahedron must be 180°. Since there are four such triangles, there are four such constraints on sums of angles, and the number of degrees of freedom is thereby reduced from 12 to 8. The four relations given by this sine law further reduce the number of degrees of freedom, from 8 down to not 4 but 5, since the fourth constraint is not independent of the first three. Thus the space of all shapes of tetrahedra is 5-dimensional.^[27]

Law of cosines for tetrahedra[edit]

Let {P₁ ,P₂, P₃, P₄} be the points of a tetrahedron. Let Δ_i be the area of the face opposite vertex P_i and let θ_ij be the dihedral angle between the two faces of the tetrahedron adjacent to the edge P_iP_j.

The law of cosines for this tetrahedron,^[28] which relates the areas of the faces of the tetrahedron to the dihedral angles about a vertex, is given by the following relation:

Interior point[edit]

Let P be any interior point of a tetrahedron of volume V for which the vertices are A, B, C, and D, and for which the areas of the opposite faces are F_a, F_b, F_c, and F_d. Then^{[29]: p.62, #1609}

For vertices A, B, C, and D, interior point P, and feet J, K, L, and M of the perpendiculars from P to the faces, and suppose the faces have equal areas, then^{[29]: p.226, #215}

Inradius[edit]

Denoting the inradius of a tetrahedron as r and the inradii of its triangular faces as r_i for i = 1, 2, 3, 4, we have^{[29]: p.81, #1990}

with equality if and only if the tetrahedron is regular.

If A₁, A₂, A₃ and A₄ denote the area of each faces, the value of r is given by

.

This formula is obtained from dividing the tetrahedron into four tetrahedra whose points are the three points of one of the original faces and the incenter. Since the four subtetrahedra fill the volume, we have .

Circumradius[edit]

Denote the circumradius of a tetrahedron as R. Let a, b, c be the lengths of the three edges that meet at a vertex, and A, B, C the length of the opposite edges. Let V be the volume of the tetrahedron. Then^[30][31]

Circumcenter[edit]

The circumcenter of a tetrahedron can be found as intersection of three bisector planes. A bisector plane is defined as the plane centered on, and orthogonal to an edge of the tetrahedron.
With this definition, the circumcenter C of a tetrahedron with vertices x₀,x₁,x₂,x₃ can be formulated as matrix-vector product:^[32]

In contrast to the centroid, the circumcenter may not always lay on the inside of a tetrahedron.
Analogously to an obtuse triangle, the circumcenter is outside of the object for an obtuse tetrahedron.

Centroid[edit]

The tetrahedron’s center of mass computes as the arithmetic mean of its four vertices, see Centroid.

Faces[edit]

The sum of the areas of any three faces is greater than the area of the fourth face.^{[29]: p.225, #159}

Integer tetrahedra[edit]

There exist tetrahedra having integer-valued edge lengths, face areas and volume. These are called Heronian tetrahedra. One example has one edge of 896, the opposite edge of 990 and the other four edges of 1073; two faces are isosceles triangles with areas of 436800 and the other two are isosceles with areas of 47120, while the volume is 124185600.^[33]

A tetrahedron can have integer volume and consecutive integers as edges, an example being the one with edges 6, 7, 8, 9, 10, and 11 and volume 48.^[34]

Related polyhedra and compounds[edit]

A regular tetrahedron can be seen as a triangular pyramid.

Regular pyramids
Digonal	Triangular	Square	Pentagonal	Hexagonal	Heptagonal	Octagonal	Enneagonal	Decagonal…
Improper	Regular	Equilateral	Isosceles

A regular tetrahedron can be seen as a degenerate polyhedron, a uniform digonal antiprism, where base polygons are reduced digons.

Antiprism name	Digonal antiprism	(Trigonal) Triangular antiprism	(Tetragonal) Square antiprism	Pentagonal antiprism	Hexagonal antiprism	Heptagonal antiprism	Octagonal antiprism	Enneagonal antiprism	Decagonal antiprism	Hendecagonal antiprism	Dodecagonal antiprism	…	Apeirogonal antiprism
Polyhedron image												…
Spherical tiling image												Plane tiling image
Vertex config.	2.3.3.3	3.3.3.3	4.3.3.3	5.3.3.3	6.3.3.3	7.3.3.3	8.3.3.3	9.3.3.3	10.3.3.3	11.3.3.3	12.3.3.3	…	∞.3.3.3

A regular tetrahedron can be seen as a degenerate polyhedron, a uniform dual digonal trapezohedron, containing 6 vertices, in two sets of colinear edges.

Trapezohedron name	Digonal trapezohedron (Tetrahedron)	Trigonal trapezohedron	Tetragonal trapezohedron	Pentagonal trapezohedron	Hexagonal trapezohedron	Heptagonal trapezohedron	Octagonal trapezohedron	Decagonal trapezohedron	Dodecagonal trapezohedron	…	Apeirogonal trapezohedron
Polyhedron image										…
Spherical tiling image										Plane tiling image
Face configuration	V2.3.3.3	V3.3.3.3	V4.3.3.3	V5.3.3.3	V6.3.3.3	V7.3.3.3	V8.3.3.3	V10.3.3.3	V12.3.3.3	…	V∞.3.3.3

A truncation process applied to the tetrahedron produces a series of uniform polyhedra. Truncating edges down to points produces the octahedron as a rectified tetrahedron. The process completes as a birectification, reducing the original faces down to points, and producing the self-dual tetrahedron once again.

Family of uniform tetrahedral polyhedra
Symmetry: [3,3], (*332)	[3,3]+, (332)
{3,3}	t{3,3}	r{3,3}	t{3,3}	{3,3}	rr{3,3}	tr{3,3}	sr{3,3}
Duals to uniform polyhedra
V3.3.3	V3.6.6	V3.3.3.3	V3.6.6	V3.3.3	V3.4.3.4	V4.6.6	V3.3.3.3.3

This polyhedron is topologically related as a part of sequence of regular polyhedra with Schläfli symbols {3,n}, continuing into the hyperbolic plane.

*n32 symmetry mutation of regular tilings: {3,n} v t e
Spherical	Euclid.	Compact hyper.	Paraco.	Noncompact hyperbolic
3.3	33	34	35	36	37	38	3∞	312i	39i	36i	33i

The tetrahedron is topologically related to a series of regular polyhedra and tilings with order-3 vertex figures.

*n32 symmetry mutation of regular tilings: {n,3} v t e
Spherical	Euclidean	Compact hyperb.	Paraco.	Noncompact hyperbolic
{2,3}	{3,3}	{4,3}	{5,3}	{6,3}	{7,3}	{8,3}	{∞,3}	{12i,3}	{9i,3}	{6i,3}	{3i,3}

• Compounds of tetrahedra

• 

• 

• 

An interesting polyhedron can be constructed from five intersecting tetrahedra. This compound of five tetrahedra has been known for hundreds of years. It comes up regularly in the world of origami. Joining the twenty vertices would form a regular dodecahedron. There are both left-handed and right-handed forms, which are mirror images of each other. Superimposing both forms gives a compound of ten tetrahedra, in which the ten tetrahedra are arranged as five pairs of stellae octangulae. A stella octangula is a compound of two tetrahedra in dual position and its eight vertices define a cube as their convex hull.

The square hosohedron is another polyhedron with four faces, but it does not have triangular faces.

The Szilassi polyhedron and the tetrahedron are the only two known polyhedra in which each face shares an edge with each other face. Furthermore, the Császár polyhedron (itself is the dual of Szilassi polyhedron) and the tetrahedron are the only two known polyhedra in which every diagonal lies on the sides.

Applications[edit]

Numerical analysis[edit]

In numerical analysis, complicated three-dimensional shapes are commonly broken down into, or approximated by, a polygonal mesh of irregular tetrahedra in the process of setting up the equations for finite element analysis especially in the numerical solution of partial differential equations. These methods have wide applications in practical applications in computational fluid dynamics, aerodynamics, electromagnetic fields, civil engineering, chemical engineering, naval architecture and engineering, and related fields.

Structural engineering[edit]

A tetrahedron having stiff edges is inherently rigid. For this reason it is often used to stiffen frame structures such as spaceframes.

Aviation[edit]

At some airfields, a large frame in the shape of a tetrahedron with two sides covered with a thin material is mounted on a rotating pivot and always points into the wind. It is built big enough to be seen from the air and is sometimes illuminated. Its purpose is to serve as a reference to pilots indicating wind direction.^[35]

Chemistry[edit]

The tetrahedron shape is seen in nature in covalently bonded molecules. All sp³-hybridized atoms are surrounded by atoms (or lone electron pairs) at the four corners of a tetrahedron. For instance in a methane molecule (CH
₄) or an ammonium ion (NH⁺
₄), four hydrogen atoms surround a central carbon or nitrogen atom with tetrahedral symmetry. For this reason, one of the leading journals in organic chemistry is called Tetrahedron. The central angle between any two vertices of a perfect tetrahedron is arccos(−1/3), or approximately 109.47°.^[5]

Water, H
₂O, also has a tetrahedral structure, with two hydrogen atoms and two lone pairs of electrons around the central oxygen atoms. Its tetrahedral symmetry is not perfect, however, because the lone pairs repel more than the single O–H bonds.

Quaternary phase diagrams of mixtures of chemical substances are represented graphically as tetrahedra.

However, quaternary phase diagrams in communication engineering are represented graphically on a two-dimensional plane.

Electricity and electronics[edit]

If six equal resistors are soldered together to form a tetrahedron, then the resistance measured between any two vertices is half that of one resistor.^[36][37]

Since silicon is the most common semiconductor used in solid-state electronics, and silicon has a valence of four, the tetrahedral shape of the four chemical bonds in silicon is a strong influence on how crystals of silicon form and what shapes they assume.

Color space[edit]

Tetrahedra are used in color space conversion algorithms specifically for cases in which the luminance axis diagonally segments the color space (e.g. RGB, CMY).^[38]

Games[edit]

The Royal Game of Ur, dating from 2600 BC, was played with a set of tetrahedral dice.

Especially in roleplaying, this solid is known as a 4-sided die, one of the more common polyhedral dice, with the number rolled appearing around the bottom or on the top vertex. Some Rubik’s Cube-like puzzles are tetrahedral, such as the Pyraminx and Pyramorphix.

Geology[edit]

The tetrahedral hypothesis, originally published by William Lowthian Green to explain the formation of the Earth,^[39] was popular through the early 20th century.^[40][41]

Popular culture[edit]

Stanley Kubrick originally intended the monolith in 2001: A Space Odyssey to be a tetrahedron, according to Marvin Minsky, a cognitive scientist and expert on artificial intelligence who advised Kubrick on the HAL 9000 computer and other aspects of the movie. Kubrick scrapped the idea of using the tetrahedron as a visitor who saw footage of it did not recognize what it was and he did not want anything in the movie regular people did not understand.^[42]

Tetrahedral graph[edit]

Tetrahedral graph
Vertices	4
Edges	6
Radius	1
Diameter	1
Girth	3
Automorphisms	24
Chromatic number	4
Properties	Hamiltonian, regular, symmetric, distance-regular, distance-transitive, 3-vertex-connected, planar graph
Table of graphs and parameters

The skeleton of the tetrahedron (comprising the vertices and edges) forms a graph, with 4 vertices, and 6 edges. It is a special case of the complete graph, K₄, and wheel graph, W₄.^[43] It is one of 5 Platonic graphs, each a skeleton of its Platonic solid.

3-fold symmetry

See also[edit]

• Boerdijk–Coxeter helix
• Möbius configuration
• Caltrop
• Demihypercube and simplex – n-dimensional analogues
• Pentachoron – 4-dimensional analogue
• Synergetics (Fuller)
• Tetrahedral kite
• Tetrahedral number
• Tetrahedron packing
• Triangular dipyramid – constructed by joining two tetrahedra along one face
• Trirectangular tetrahedron
• Orthoscheme

Notes[edit]

References[edit]

Bibliography[edit]

• Kepler, Johannes (1619). Harmonices Mundi (The Harmony of the World). Johann Planck.
• Coxeter, H.S.M. (1973). Regular Polytopes (3rd ed.). New York: Dover.

External links[edit]

• Weisstein, Eric W. «Tetrahedron». MathWorld.
• Free paper models of a tetrahedron and many other polyhedra
• An Amazing, Space Filling, Non-regular Tetrahedron that also includes a description of a «rotating ring of tetrahedra», also known as a kaleidocycle.

Тетраэдр в переводе с греческого означает «четырехгранник». Эта геометрическая фигура обладает четырьмя гранями, четырьмя вершинами и шестью ребрами. Грани представляют собой треугольники. По сути, тетраэдр — это Первые упоминания о многогранниках появились еще задолго до существования Платона.

Сегодня поговорим об элементах и свойствах тетраэдра, а также узнаем формулы нахождения у этих элементов площади, объема и других параметров.

Элементы четырехгранника

Отрезок, выпущенный из любой вершины тетраэдра и опущенный на точку пересечения медиан грани, являющейся противоположной, называется медианой.

Высота многоугольника представляет собой нормальный отрезок, опущенный из вершины напротив.

Бимедианой называется отрезок, соединяющий центры скрещивающихся ребер.

Свойства тетраэдра

1) Параллельные плоскости, которые проходят через два скрещивающихся ребра, образуют описанный параллелепипед.

2) Отличительным свойством тетраэдра является то, что медианы и бимедианы фигуры встречаются в одной точке. Важно, что последняя делит медианы в отношении 3:1, а бимедианы — пополам.

3) Плоскость разделяет тетраэдр на две равные по объему части, если проходит через середину двух скрещивающихся ребер.

Виды тетраэдра

Видовое разнообразие фигуры достаточно широко. Тетраэдр может быть:

• правильным, то есть в основании равносторонний треугольник;
• равногранным, у которого все грани одинаковы по длине;
• ортоцентрическим, когда высоты имеют общую точку пересечения;
• прямоугольным, если плоские углы при вершине нормальные;
• соразмерным, все би высоты равны;
• каркасным, если присутствует сфера, которая касается ребер;
• инцентрическим, то есть отрезки, опущенные из вершины в центр вписанной окружности противоположной грани, имеют общую точку пересечения; эту точку именуют центром тяжести тетраэдра.

Остановимся подробно на правильном тетраэдре, свойства которого практически не отличаются.

Исходя из названия, можно понять, что так он называется потому, что грани являют собой правильные треугольники. Все ребра этой фигуры конгруэнтны по длине, а грани — по площади. Правильный тетраэдр — это один из пяти аналогичных многогранников.

Формулы четырехгранника

Высота тетраэдра равна произведению корня из 2/3 и длины ребра.

Объем тетраэдра находится так же, как объем пирамиды: корень квадратный из 2 разделить на 12 и умножить на длину ребра в кубе.

Остальные формулы для расчета площади и радиусов окружностей представлены выше.

На этом уроке мы рассмотрим тетраэдр и его элементы (ребро тетраэдра, поверхность, грани, вершины). И решим несколько задач на построение сечений в тетраэдре, используя общий метод для построения сечений.

Тема: Параллельность прямых и плоскостей

Урок: Тетраэдр. Задачи на построение сечений в тетраэдре

Как построить тетраэдр? Возьмем произвольный треугольник АВС
. Произвольную точку D
, не лежащую в плоскости этого треугольника. Получим 4 треугольника. Поверхность, образованная этими 4 треугольниками, и называется тетраэдром (Рис. 1.). Внутренние точки, ограниченные этой поверхностью, также входят в состав тетраэдра.

Рис. 1. Тетраэдр АВСD

Элементы тетраэдра
А,
B
,
C
,
D
— вершины тетраэдра
.
AB
,
AC
,
AD
,
BC
,
BD
,
CD
— ребра тетраэдра
.
ABC
,
ABD
,
BDC
,
ADC
— грани тетраэдра
.

Замечание:
можно принять плоскость АВС
за основание тетраэдра
, и тогда точка D
является вершиной тетраэдра
. Каждое ребро тетраэдра является пересечением двух плоскостей. Например, ребро АВ
— это пересечение плоскостей АВ
D
и АВС
. Каждая вершина тетраэдра — это пересечение трех плоскостей. Вершина А
лежит в плоскостях АВС
, АВ
D
, А
D
С
. Точка А
— это пересечение трех означенных плоскостей. Этот факт записывается следующим образом: А
= АВС
∩ АВ
D
∩ АС
D
.

Тетраэдр определение

Итак, тетраэдр
— это поверхность, образованная четырмя треугольниками.

Ребро тетраэдра
— линия перечесения двух плоскостей тетраэдра.

Составьте из 6 спичек 4 равных треугольника. На плоскости решить задачу не получается. А в пространстве это сделать легко. Возьмем тетраэдр. 6 спичек — это его ребра, четыре грани тетраэдра и будут четырьмя равными треугольниками. Задача решена.

Дан тетраэдр АВС
D
.
Точка M
принадлежит ребру тетраэдра АВ
, точка N
принадлежит ребру тетраэдра В
D
и точка Р
принадлежит ребру D
С
(Рис. 2.). Постройте сечение тетраэдра плоскостью MNP
.

Рис. 2. Рисунок к задаче 2 — Построить сечение тетраэдра плоскостью

Решение
:
Рассмотрим грань тетраэдра D
ВС
. В этой грани точки N
и P
принадлежат грани D
ВС
, а значит, и тетраэдру. Но по условию точки N, P
принадлежат секущей плоскости. Значит, NP
— это линия пересечения двух плоскостей: плоскости грани D
ВС
и секущей плоскости. Предположим, что прямые NP
и ВС
не параллельны. Они лежат в одной плоскости D
ВС.
Найдем точку пересечения прямых NP
и ВС
. Обозначим ее Е
(Рис. 3.).

Рис. 3. Рисунок к задаче 2. Нахождение точки Е

Точка Е
принадлежит плоскости сечения MNP
, так как она лежит на прямой NР
, а прямая NР
целиком лежит в плоскости сечения MNP
.

Также точка Е
лежит в плоскости АВС
, потому что она лежит на прямой ВС
из плоскости АВС
.

Получаем, что ЕМ
— линия пересечения плоскостей АВС
и MNP,
так как точки Е
и М
лежат одновременно в двух плоскостях — АВС
и MNP.
Соединим точки М
и Е
, и продолжим прямую ЕМ
до пересечения с прямой АС
. Точку пересечения прямых ЕМ
и АС
обозначим Q
.

Итак, в этом случае NPQМ
— искомое сечение.

Рис. 4. Рисунок к задаче 2.Решение задачи 2

Рассмотрим теперь случай, когда NP
параллельна BC
. Если прямая NP
параллельна какой-нибудь прямой, например, прямой ВС
из плоскости АВС
, то прямая NP
параллельна всей плоскости АВС
.

Искомая плоскость сечения проходит через прямую NP
, параллельную плоскости АВС
, и пересекает плоскость по прямой МQ
. Значит, линия пересечения МQ
параллельна прямой NP
. Получаем, NPQМ
— искомое сечение.

Точка М
лежит на боковой грани А
D
В
тетраэдра АВС
D
. Постройте сечение тетраэдра плоскостью, которое проходит через точку М
параллельно основанию АВС
.

Рис. 5. Рисунок к задаче 3 Построить сечение тетраэдра плоскостью

Решение:
Секущая плоскость φ
параллельна плоскости АВС
по условию, значит, эта плоскость φ
параллельна прямым АВ
, АС
, ВС
.
В плоскости АВ
D
через точку М
проведем прямую PQ
параллельно АВ
(рис. 5). Прямая PQ
лежит в плоскости АВ
D
. Аналогично в плоскости АС
D
через точку Р
проведем прямую РR
параллельно АС
. Получили точку R
. Две пересекающиеся прямые PQ
и РR
плоскости РQR
соответственно параллельны двум пересекающимся прямым АВ
и АС
плоскости АВС
, значит, плоскости АВС
и РQR
параллельны. РQR
— искомое сечение. Задача решена.

Дан тетраэдр АВС
D
. Точка М
— точка внутренняя, точка грани тетраэдра АВ
D
. N
— внутренняя точка отрезка D
С
(Рис. 6.). Построить точку пересечения прямой NM
и плоскости АВС
.

Рис. 6. Рисунок к задаче 4

Решение:
Для решения построим вспомогательную плоскость D
МN
. Пусть прямая D
М
пересекает прямую АВ в точке К
(Рис. 7.). Тогда, СК
D
— это сечение плоскости D
МN
и тетраэдра. В плоскости D
МN
лежит и прямая NM
, и полученная прямая СК
. Значит, если NM
не параллельна СК
, то они пересекутся в некоторой точке Р
. Точка Р
и будет искомая точка пересечения прямой NM
и плоскости АВС
.

Рис. 7. Рисунок к задаче 4. Решение задачи 4

Дан тетраэдр АВС
D
. М
— внутренняя точка грани АВ
D
. Р
— внутренняя точка грани АВС
. N
— внутренняя точка ребра D
С
(Рис. 8.). Построить сечение тетраэдра плоскостью, проходящей через точки М
, N
и Р
.

Рис. 8. Рисунок к задаче 5 Построить сечение тетраэдра плоскостью

Решение:
Рассмотрим первый случай, когда прямая MN
не параллельна плоскости АВС
. В прошлой задаче мы нашли точку пересечения прямой MN
и плоскости АВС
. Это точка К
, она получена с помощью вспомогательной плоскости D
МN
, т.е. мы проводим D
М
и получаем точку F
. Проводим СF
и на пересечении MN
получаем точку К
.

Рис. 9. Рисунок к задаче 5. Нахождение точки К

Проведем прямую КР
. Прямая КР
лежит и в плоскости сечения, и в плоскости АВС
. Получаем точки Р 1
и Р 2
. Соединяем Р 1
и М
и на продолжении получаем точку М 1
. Соединяем точку Р 2
и N
. В результате получаем искомое сечение Р 1 Р 2 NМ 1
. Задача в первом случае решена.
Рассмотрим второй случай, когда прямая MN
параллельна плоскости АВС
. Плоскость МNР
проходит через прямую МN
параллельную плоскости АВС
и пересекает плоскость АВС
по некоторой прямой Р 1 Р 2
, тогда прямая Р 1 Р 2
параллельна данной прямой MN
(Рис. 10.).

Рис. 10. Рисунок к задаче 5. Искомое сечение

Теперь проведем прямую Р 1 М
и получим точку М 1
. Р 1 Р 2 NМ 1
— искомое сечение.

Итак, мы рассмотрели тетраэдр, решили некоторые типовые задачи на тетраэдр. На следующем уроке мы рассмотрим параллелепипед.

1. И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. — 5-е издание, исправленное и дополненное — М. : Мнемозина, 2008. — 288 с. : ил. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни)

2. Шарыгин И. Ф. — М.: Дрофа, 1999. — 208 с.: ил. Геометрия. 10-11 класс: Учебник для общеобразовательных учебных заведений

3. Е. В. Потоскуев, Л. И. Звалич. — 6-е издание, стереотип. — М. : Дрофа, 008. — 233 с. :ил. Геометрия. 10 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений с углубленным и профильным изучением математики

Дополнительные веб-ресурсы

2. Как построить сечение тетраэдра. Математика ().

3. Фестиваль педагогических идей ().

Сделай дома задачи по теме «Тетраэдр», как находить ребро тетраэдра, грани тетраэдра, вершины и поверхность тетраэдра

1. Геометрия. 10-11 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений (базовый и профильный уровни) И. М. Смирнова, В. А. Смирнов. — 5-е издание, исправленное и дополненное — М.: Мнемозина, 2008. — 288 с.: ил. Задания 18, 19, 20 стр. 50

2. Точка Е
середина ребра МА
тетраэдра МАВС
. Постройте сечение тетраэдра плоскостью, проходящей через точки В, С
и Е
.

3. В тетраэдре МАВС точка М принадлежит грани АМВ, точка Р — грани ВМС, точка К — ребру АС. Постройте сечение тетраэдра плоскостью, проходящей через точки М, Р, К.

4. Какие фигуры могут получиться в результате пересечения плоскостью тетраэдра?

Все грани его представляют собой равные между собой треугольники. Разверткой равногранного тетраэдра является треугольник, разделенный тремя средними линиями на четыре равных треугольника . В равногранном тетраэдре основания высот, середины высот и точки пересечения высот граней лежат на поверхности одной сферы (сферы 12 точек) (Аналог окружности Эйлера для треугольника).

Свойства равногранного тетраэдра:

• Все его грани равны (конгруэнтны).
• Скрещивающиеся ребра попарно равны.
• Трехгранные углы равны.
• Противолежащие двугранные углы равны.
• Два плоских угла, опирающихся на одно ребро, равны.
• Сумма плоских углов при каждой вершине равна 180°.
• Развертка тетраэдра — треугольник или параллелограмм.
• Описанный параллелепипед прямоугольный.
• Тетраэдр имеет три оси симметрии.
• Общие перпендикуляры скрещивающихся ребер попарно перпендикулярны.
• Средние линии попарно перпендикулярны.
• Периметры граней равны.
• Площади граней равны.
• Высоты тетраэдра равны.
• Отрезки, соединяющие вершины с центрами тяжести противоположных граней, равны.
• Радиусы описанных около граней окружностей равны.
• Центр тяжести тетраэдра совпадает с центром описанной сферы.
• Центр тяжести совпадает с центром вписанной сферы.
• Центр описанной сферы совпадает с центром вписанной.
• Вписанная сфера касается граней в центрах описанных около этих граней окружностей.
• Сумма внешних единичных нормалей (единичных векторов, перпендикулярных к граням), равна нулю.
• Сумма всех двугранных углов равна нулю.

Ортоцентрический тетраэдр

Все высоты, опущенные из вершин на противоположные грани, пересекаются в одной точке.

Свойства ортоцентрического тетраэдра:

• Высоты тетраэдра пересекаются в одной точке.
• Основания высот тетраэдра являются ортоцентрами граней.
• Каждые два противоположных ребра тетраэдра перпендикулярны.
• Суммы квадратов противоположных ребер тетраэдра равны.
• Отрезки, соединяющие середины противоположных ребер тетраэдра, равны.
• Произведения косинусов противоположных двугранных углов равны.
• Сумма квадратов площадей граней вчетверо меньше суммы квадратов произведений противоположных ребер.
• У ортоцентрического тетраэдра
  окружности 9 точек (окружности Эйлера) каждой грани принадлежат одной сфере (сфере 24 точек).
• У ортоцентрического тетраэдра
  центры тяжести и точки пересечения высот граней, а также точки, делящие отрезки каждой высоты тетраэдра от вершины до точки пересечения высот в отношении 2:1, лежат на одной сфере (сфере 12 точек).

Прямоугольный тетраэдр

Все ребра, прилежащие к одной из вершин, перпендикулярны между собой. Прямоугольный тетраэдр получается отсечением тетраэдра плоскостью от прямоугольного параллелепипеда .