Как найти высоту в правильном шестиугольнике пирамиде

Правильная шестиугольная пирамида — пирамида, в основании которой лежит правильный шестиугольник.

Обозначения

• $SABCDEF$ — правильная шестиугольная пирамида
• $O$ — центр основания пирамиды
• $a$ — длина стороны основания пирамиды
• $h$ — длина бокового ребра пирамиды
• $S_{text{осн.}}$ — площадь основания пирамиды
• $V_{text{пирамиды}}$ — объем пирамиды

Площадь основания пирамиды

В основаниях пирамиды находится правильный шестиугольник со стороной $a$. По свойствам правильного шестиугольника, площадь основания пирамиды равна $$ S_{text{осн.}}=frac{3sqrt{3}}{2}cdot a^2 $$

Правильный шестиугольник в основании пирамиды

По свойствам правильного шестиугольника, треугольники AOB, BOC, COD, DOE, EOF, FOA являются правильными треугольниками. Отсюда следует, что $$ AO=OD=EO=OB=CO=OF=a $$ Проводим отрезок AE, пересекающийся с отрезком CF в точке M. Треугольник AEO равнобедренный, в нём $AO=OE=a, angle EOA=120^{circ}$. По свойствам равнобедренного треугольника $$ AE=acdotsqrt{2(1-cos EOA)}=sqrt{3}cdot a $$ Аналогичным образом приходим к заключению, что $ AC=CE=sqrt{3}cdot a $, $FM=MO=frac{1}{2}cdot a$.

Находим $SO$

Прямая $SO$ является высотой пирамиды, поэтому $angle SOF=90^{circ}$. Треугольник $SOF$ прямоугольный, в нем $FO=a, FS=h$. По свойствам прямоугольного треугольника $$ SO=sqrt{FS^2-FO^2}=sqrt{h^2-a^2} $$

Объем пирамиды

Объем пирамиды вычисляется как треть произведения площади ее основания на ее высоту. Высотой правильной пирамиды является отрезок $SO$. В основании правильной шестиугольной призмы находится правильный шестиугольник, площадь которого нам известна. Получаем $$ V_{text{пирамиды}}=frac{1}{3}cdot S_{text{осн.}}cdot SO=frac{sqrt{3}}{2}cdot a^2 cdot sqrt{h^2-a^2} $$

Находим $ST$ и $TO$

Пусть точка $T$ является серединой ребра $AF$. Треугольник $AOF$ правильный, поэтому, по свойствам правильного треугольника $$ TO=frac{sqrt{3}}{2}cdot a $$ Треугольник $STO$ прямоугольный, высота $SO$ равна $sqrt{h^2-a^2}$. По теореме Пифагора $$ ST=sqrt{SO^2+TO^2}=sqrt{h^2-frac{1}{4}cdot a^2} $$

Одной из объемных фигур, изучаемых в курсе пространственной геометрии, является пирамида. Важной характеристикой этой фигуры является ее высота. В статье дадим определение высоты пирамиды и приведем формулы, через которые она связана с другими линейными характеристиками.

Что собой представляет пирамида

Под пирамидой понимают геометрическую фигуру пространственную, которая получается в результате соединения всех углов многоугольника с одной точкой пространства. Рисунок ниже демонстрирует расположение линий (ребер) для четырехугольной и пятиугольной пирамид.

Многоугольная грань фигуры называется ее основанием. Точка, где все треугольные грани соединяются, называется вершиной. Для определения высоты пирамиды отмеченные элементы являются важными.

Высота фигуры

Высотой пирамиды называется перпендикуляр, который из ее вершины опущен на плоскость основания. Важно понимать, что из каждой вершины, принадлежащей основанию фигуры, тоже можно провести перпендикуляр к соответствующей треугольной грани, однако он высотой не будет являться. Высота пирамиды — это единственный перпендикуляр, который является одной из важных ее линейных характеристик.

Каждому школьнику известно, что любая плоская фигура обладает геометрическим центром (в физике ему соответствует центр масс). Например, геометрический центр для произвольного треугольника определяется точкой пересечения его медиан, для параллелограмма — точкой пересечения диагоналей. Если высота пирамиды пересекает ее основание в геометрическом центре, то фигура называется прямой. Пирамида прямая, имеющая в основании многоугольник с одинаковыми сторонами и углами, называется правильной.

Рисунок выше показывает, чем отличается неправильная пирамида от правильной. Видно, что высота неправильной фигуры лежит за пределами ее основания, в то время как у правильной шестиугольной пирамиды высота находится внутри фигуры, пересекая ее основание в центре геометрическом.

Важными свойствами всех правильных пирамид являются следующие:

• все боковые грани представляют собой равнобедренные треугольники и равны друг другу;
• длины боковых ребер и апофем являются одинаковыми.

Формулы для высоты правильной пирамиды

Существует четыре основных линейных характеристики для любой пирамиды правильной:

• сторона основания;
• боковое ребро;
• апофема боковой грани;
• высота фигуры.

Все они связаны математически друг с другом. Обозначим длину стороны основания символом a, высоту — h, апофему — h_b и ребро — b. Формулы, которые эти величины связывают, имеют индивидуальный вид для соответствующей n-угольной пирамиды. Например, для правильной пирамиды четырехугольной высоту можно определить по формулам:

h = √(a_b² — a²/4);

h = √(b² — a²/2).

Эти формулы следуют из теоремы Пифагора при рассмотрении соответствующих прямоугольных треугольников внутри пирамиды.

Если рассматривается фигура с треугольным основанием, тогда справедливы следующие формулы для высоты правильной пирамиды:

h = √(a_b² — a²/12);

h = √(b² — a²/3).

Решение задачи с шестиугольной пирамидой

Предположим, что нам дана пирамида правильная с шестиугольным основанием. Известно, что высота основания пирамиды равна 13 см. Зная, что длина ее бокового ребра равна 10 см, необходимо вычислить объем и высоту правильной шестиугольной пирамиды.

Рисунок ниже показывает, как выглядит правильный шестиугольник.

Расстояние между любыми его двумя параллельными сторонами называется высотой. Не сложно показать, что эта высота h_a связана с длиной стороны фигуры следующей формулой:

h_a = a*√3

Подставляя в выражение значение h_a, находим, что сторона основания a равна 7,51 см.

Высоту h фигуры можно определить, если рассмотреть прямоугольный треугольник, находящийся внутри пирамиды и состоящий из двух катетов (высота пирамиды и половина диагонали шестиугольного основания) и гипотенузы (боковое ребро). Тогда значение h будет равно:

h = √(b² — a²) = √(100 — 56,4) = 6,6 см.

Объем пирамиды определяется как третья часть от произведения высоты фигуры на площадь ее основания. Площадь правильного шестиугольника равна:

S₆ = n/4*a²*ctg(pi/n) = 6/4*a²*ctg(pi/6) = 3*√3/2*a² = 3*√3/2*56,4 ≈ 146,53 см².

Использованная для вычисления S₆ формула является универсальной для произвольного правильного n-угольника.

Для определения объема фигуры остается подставить в соответствующую формулу найденные параметры:

V = 1/3*h*S₆ = 1/3*6,6*146,53 = 322,366 см³.

Мы получили значение высоты пирамиды и рассчитали ее объем. Таким образом, поставленная задача решена.

A hexagonal pyramid is a three-dimensional shaped pyramid that has a hexagonal base along with the sides or faces in the shape of isosceles triangles that meet at the apex or the top of the pyramid. A hexagonal pyramid is one of the different types of pyramids, which are classified based on the shape of the base of a pyramid. It is also known as a heptahedron since a hexagonal pyramid consists of 7 faces, which includes a hexagonal base and 6 isosceles triangular lateral faces. It has a total of seven faces, twelve edges, and seven vertices. One of the seven vertices is the apex, which is at the top, and the other six are at the base of the pyramid. Out of the twelve edges, six edges connect the triangle edges that meet at the apex, and the other six are the edges of the base.

 Regular Hexagonal Pyramid

A regular hexagonal pyramid is a pyramid whose hexagonal base is regular and the pyramid is straight, whereas an irregular hexagonal pyramid is a pyramid whose hexagonal base is irregular and the pyramid is oblique. A right regular pyramid is a hexagonal pyramid with a regular hexagonal base and, the apex of the pyramid is right above the center of the base, such that the apex forms a right angle with the center of the base and any other vertex.

Regular Hexagonal Pyramid formula

There are two formulas for a regular hexagonal pyramid, i.e., the surface area of a regular hexagonal pyramid and the volume of a regular hexagonal pyramid. To calculate the surface area or the volume of a regular hexagonal pyramid, we need to know its four major aspects, i.e., the length of the side of the base; the apothem, which is the distance from the center of the base to any point on the side of the base; the height of the pyramid, which is the perpendicular distance from the apex to the center of the base; and finally the slant height of the pyramid, which is the height of the triangular faces or the perpendicular distance from the apex to any point on the boundary of the base of the pyramid.

Lateral surface area (LSA)

The lateral surface area is the region occupied by the lateral surfaces or triangular faces of a regular hexagonal pyramid. The formula to determine the lateral surface area of the regular hexagonal pyramid (LSA) is given as follows,

The lateral surface area of the regular hexagonal pyramid = The sum of areas of the lateral surfaces (triangles) of the pyramid

= 6 × [½ × base × height] =3 (s × l)

Lateral surface area of the regular hexagonal pyramid = 3(s × l)

Where,

“s” is the side length of the base, and

“l” is the slant height of the pyramid. 

Total surface area (TSA)

The total surface area is the total region occupied by all the surfaces of a regular hexagonal pyramid, i.e., the area occupied by the lateral surfaces, or triangular faces, and also is hexagonal base. 

Total surface area of a pyramid (TSA) = Lateral surface area of the pyramid + Base area

The surface area of the hexagonal pyramid can be calculated when we have the slant height of the pyramid which is the height from the apex to any point on the boundary of the base of the pyramid. Hence, let us see both the formula of the hexagonal pyramid – base area and surface area.

Base area = 3as

Where,

“a” is the apothem length, and

“s” is the side length of the base.

TSA = LSA + Base area

TSA = 3sl + 3as

Hence,

Total surface area of the regular hexagonal pyramid (TSA) = 3sl + 3as

Where,

“s” is the side length of the base, 

“l” is the slant height, and 

“a” is the apothem length.

When the apothem of the regular hexagonal pyramid is not mentioned and the triangular faces are equilateral, there is another alternative formula to calculate its surface area, i.e.,

Total surface area of the hexagonal pyramid = 3(s × l) + 3√3/2 (s)²

Where, 

“s” is the side length of the base, and 

“l” is the slant height of the pyramid. 

Area of the hexagonal base = 3√3/2 (s)²

Volume of the regular hexagonal pyramid

The volume is the total space enclosed between all the faces of a regular hexagonal pyramid. The general formula for calculating the volume of a pyramid is equal to one-third of the product of the base area and the height of the pyramid.

Volume (V) = (1/3) × Base area × Height cubic units

Now, by substituting the values of the base area and the height, we get

Volume of the regular hexagonal pyramid = (a × s × h) cubic units

Where,

“a” is the apothem length,

“s” is the side length of the base, and

“h” is the height of the pyramid. 

When the apothem of the regular hexagonal pyramid is not mentioned and the triangular faces are equilateral, there is another alternative formula to calculate its volume, i.e.,

Volume of the regular hexagonal pyramid (V)= (√3/2) × s² × h cubic units

Where,

“s” is the side length of the base, and

“h” is the height of the pyramid. 

Practice Problems based on Regular Hexagonal Pyramid

Problem 1: What is the volume of a regular hexagonal pyramid whose apothem length is 5 cm, length of the side of the base is 10 cm, and height is 13 cm?

Solution: 

Given data,

Apothem length (a) = 5 cm

The length of the side of the base  = 10 cm,

The height of the pyramid = 13 cm

We know that,

The volume of a regular hexagonal pyramid (V) = (a × s × h) cubic units

V = 5 × 10 × 13

Volume = 650 cm³

Therefore, the volume of the given hexagonal pyramid is 650 cu. cm.

Problem 2: What is the surface area of a regular hexagonal pyramid if its apothem length is 6 inches, the length of the side of the base is 8 inches, and the slant height is 15 inches?

Solution: 

Given data,

Apothem length (a) = 6 inches

The length of the side of the base (s)  = 8 inches

The slant height of the pyramid (l) = 15 inches

We know that,

The surface area of the hexagonal pyramid = 3as + 3sl square units

= 3 × 6 × 8 + 3 × 8 × 15

= 144 + 360 = 504 sq. in

Therefore, the surface area of the given pyramid is 504 sq. in.

Problem 3: Find the height of a regular hexagonal pyramid if its volume is 576 cu. cm, the length of the side of the base is 8 cm, and the apothem length is 8 cm.

Solution:

Given data,

Apothem length (a) = 8 cm

The length of the side of the base (s) = 8 cm

Volume = 576 cu. cm

We know that,

The volume of a regular hexagonal pyramid (V) = (a × s × h) cubic units

⇒ 8 × 8 × h = 576

⇒ 64h = 576

⇒ h = 576/64 = 9 cm

Hence, the height of a regular hexagonal pyramid is 9 cm.

Problem 4: What is the volume of a regular hexagonal pyramid if the sides of a base are 7 cm each and the height of the pyramid is 14 cm?

Solution:

Given data,

Height of the pyramid (h) = 14 cm

The length of the side of the base (s) = 7 cm

Area of the hexagonal base (A) = 3√3/2 b² = 3√3/2 (7)² = 147√3/2 sq. cm

The volume of a regular hexagonal pyramid (V) = 1/3 × A × h

V = 1/3 × (147√3/2) × 14 = 594.09 cm³

Hence, the volume of the given pyramid is 594.09 cm³.

 Problem 5: Determine the lateral surface area of a regular hexagonal pyramid if the side length of the base is 15 inches and the pyramid’s slant height is 21 inches.

Solution:

Given data,

The length of the side of the base (s) = 15 inches, and

Slant height (l) = 21 inches

The perimeter of the square base (P) = 6s = 6(15) = 90 inches

We know that,

The lateral surface area (LSA) = (½) Pl

= (½ ) × (90) × 21 = 945 sq. in

Therefore, the lateral surface area of the given pyramid is 945 sq. in.

FAQs based on Regular Hexagonal Pyramid

Question 1: What is a Hexagonal Pyramid?

Answer:

A hexagonal pyramid is a 3D shape with hexagonal base combined with 6 triangles faces against each sides of the hexagonal base erected  in such a way to form a pyramid at its apex. These triangles may be either isosceles triangles or equilateral triangles and these triangles are called as lateral faces. A hexagonal pyramid contains 7 vertices, 7 faces, and 12 edges.

Question 2: What is the formula for finding the volume of the Hexagonal Pyramid?

Answer:

The formula for calculating the volume of the hexagonal pyramid is given by,

Volume of Hexagonal Pyramid(V) = (abh) cubic units

where,

a is the apothem of the pyramid,

b is the base, and h is the height.

Question 3: What is the formula for finding the Surface Area of a Hexagonal Pyramid?

Answer:

Formula for finding the surface area of a hexagonal pyramid is given by,

Surface Area of Hexagonal Pyramid (TSA)= (3ab + 3bs) square units,

where,

a is the apothem of the pyramid,

b is the base, and

s is the slant height of the pyramid.

Стереометрия, как раздел геометрии в пространстве, изучает свойства призм, цилиндров, конусов, шаров, пирамид и других объемных фигур. Данная статья посвящена подробному рассмотрению характеристик и свойств шестиугольной правильной пирамиды.

Какая пирамида будет изучаться

Правильная шестиугольная пирамида представляет собой фигуру в пространстве, которая ограничена одним равносторонним и равноугольным шестиугольником, и шестью одинаковыми треугольниками равнобедренными. Эти треугольники могут быть также равносторонними при определенных условиях. Эта пирамида ниже показана.

Здесь изображена одна и та же фигура, только в одном случае она повернута боковой гранью к читателю, а в другом — боковым ребром.

Правильная шестиугольная пирамида имеет 7 граней, которые были названы выше. Также ей принадлежат 7 вершин и 12 ребер. В отличие от призм, у всех пирамид имеется одна особая вершина, которая образована пересечением боковых треугольников. Для правильной пирамиды она играет важную роль, поскольку опущенный с нее на основание фигуры перпендикуляр является высотой. Далее высоту будем обозначать буквой h.

Показанная пирамида называется правильной по двум причинам:

• в ее основании находится шестиугольник с равными длинами сторон a и с одинаковыми углами по 120^o;
• высота пирамиды h пересекает шестиугольник точно в его центре (точка пересечения лежит на одинаковом расстоянии от всех сторон и от всех вершин шестиугольника).

Площадь поверхности

Свойства правильной пирамиды шестиугольной начнем рассматривать с определения ее площади. Для этого сначала полезно привести развертку фигуры на плоскости. Схематическое ее изображение показано ниже.

Видно, что площадь развертки, а значит, и всей поверхности рассматриваемой фигуры, равна сумме площадей шести одинаковых треугольников и одного шестиугольника.

Для определения площади шестиугольника S₆ воспользуемся универсальной формулой для правильного n-угольника:

S_n = n/4*a²*ctg(pi/n) =>

S₆ = 3*√3/2*a².

Где буквой a обозначена длина стороны шестиугольника.

Площадь треугольника S₃ боковой стороны найти можно, если знать величину его высоты h_b:

S₃ = 1/2*h_b*a.

Поскольку все шесть треугольников равны между собой, то получаем рабочее выражение для определения площади шестиугольной пирамиды с правильным основанием:

S = S₆ + 6*S₃ = 3*√3/2*a² + 6*1/2*h_b*a = 3*a*(√3/2*a + h_b).

Объем пирамиды

Так же, как и площадь, объем шестиугольной правильной пирамиды является важным ее свойством. Этот объем рассчитывается по общей формуле для всех пирамид и конусов. Запишем ее:

V = 1/3*S_o*h.

Здесь символом S_o названа площадь шестиугольного основания, то есть S_o = S₆.

Подставляя в формулу для V записанное выше выражение для S₆, приходим к конечному равенству для определения объема пирамиды шестиугольной правильной:

V = √3/2*a² *h.

Пример геометрической задачи

В шестиугольной пирамиде правильной боковое ребро в два раза больше длины стороны основания. Зная, что последнее равно 7 см, необходимо вычислить площадь поверхности и объем данной фигуры.

Как можно догадаться, решение этой задачи предполагает использование полученных выше выражений для S и V. Тем не менее сразу ими воспользоваться не получится, поскольку мы не знаем апофему и высоту правильной пирамиды шестиугольной. Займемся их вычислением.

Апофему h_b можно определить, рассмотрев треугольник прямоугольный, построенный на сторонах b, a/2 и h_b. Здесь b — длина бокового ребра. Используя условие задачи, получаем:

h_b = √(b²-a²/4) = √(14²-7²/4) = 13,555 см.

Высоту h пирамиды определить можно точно так же, как апофему, только рассматривать теперь следует треугольник со сторонами h, b и a, находящийся внутри пирамиды. Высота будет равна:

h = √(b² — a²) = √(14² — 7²) = 12,124 см.

Видно, что рассчитанное значение высоты меньше такового для апофемы, что справедливо для любой пирамиды.

Теперь можно воспользоваться выражениями для объема и площади:

S = 3*a*(√3/2*a + h_b) = 3*7*(√3/2*7 + 13,555) = 411,96 см²;

V = √3/2*a²*h = √3/2*7²*12,124 = 514,48 см³.

Таким образом, для однозначного определения любой характеристики правильной шестиугольной пирамиды необходимо знать два любых ее линейных параметра.