LemmaraLemmaraEnglishابدأ مجاناً

شرح حساب المثلثات في الفراغ: الأهرامات والمخاريط

Trigonometry in 3D: Pyramids and Cones

يأتي في امتحانات Edexcel Further Pure Maths 4PM1 · Edexcel IGCSE Maths 4MA1 · Cambridge IGCSE Maths 0580 · Cambridge O Level Maths 4024

الشرح بالعربية، والرياضيات كما تظهر في ورقة الامتحان بالإنجليزية، لأن الامتحان بالإنجليزية.

1. The Triangle Inside

في الهرم القائم تكون القمة فوق مركز القاعدة تمامًا، والخط النازل من القمة إلى المركز هو الارتفاع. داخل الهرم مثلث قائم أضلاعه: الارتفاع، ونصف قطر القاعدة من المركز إلى الركن، والحرف المائل من الركن إلى القمة. الزاوية القائمة دائمًا عند مركز القاعدة، والحرف المائل هو الوتر دائمًا.

A right pyramid has its top point, the apex, straight above the centre of the base. Drop a line from the apex to the centre: that is the height.

Side of the triangleWhere it is
Heightapex straight down to the centre
Half diagonalcentre out to a corner
Slant edgecorner up to the apex

Rule

The right angle is at the centre of the base. The slant edge is always the hypotenuse.

2. The Height of a Pyramid

المطلوب ارتفاع هرم قاعدته مربعة. أولًا نحسب قطر القاعدة بفيثاغورس: نربّع ضلعي المربع ونجمع. ثانيًا المركز في منتصف القطر فنأخذ نصفه، ونصف الجذر يساوي جذر ربع العدد. ثالثًا في المثلث القائم عند المركز يكون الحرف المائل هو الوتر، والمطلوب ضلع قصير، فنطرح مربع نصف القطر من مربع الوتر. أخيرًا نأخذ الجذر الموجب لأن الارتفاع لا يكون سالبًا. الخطأ الشائع استعمال نصف ضلع القاعدة بدل نصف القطر، مع أن الركن أبعد عن المركز من منتصف الحرف.

A square-based pyramid has base sides of 8 cm. Each slant edge, such as , is 9 cm. is the centre of the base. Find the height .

Worked example

  1. 1

    — The base is a square, so its diagonal is the longest side of a right triangle with two sides of 8. Square each side and add.

  2. 2

    — 64 + 64 = 128.

  3. 3

    — The centre is halfway along the diagonal, so is half of it. Halving a root: .

  4. 4

    — Triangle has its right angle at , because stands straight up. The slant edge is the longest side.

  5. 5

    — We want a short side, so take the other square away from the hypotenuse squared. Also .

  6. 6

    — 81 − 32 = 49.

  7. 7

    — Take the square root to undo the squaring. A height cannot be negative.

Common mistake

Using half the base side, 4, instead of half the diagonal. The corner is further from the centre than the middle of an edge.

3. The Angle With the Base

المطلوب الزاوية بين الحرف المائل والقاعدة، وهي عند الركن في المثلث القائم نفسه. ظلّ الحرف المائل على القاعدة هو نصف القطر، فالارتفاع يقابل الزاوية ونصف القطر مجاور لها، أي نستعمل الظل ثم معكوس الظل، ونقرّب لمنزلة عشرية واحدة. أما الزاوية بين وجه الهرم والقاعدة فمختلفة: نذهب من المركز إلى منتصف حرف القاعدة، وهذه المسافة نصف ضلع القاعدة، والزاوية تكون عند ذلك المنتصف، ونستعمل الظل أيضًا. زاوية الوجه أكبر لأن منتصف الحرف أقرب إلى المركز من الركن. الخطأ الشائع الخلط بينهما: الحرف المائل يستعمل نصف القطر، والوجه يستعمل نصف ضلع القاعدة.

The 6-mark question: find the angle between a slant edge and the base. It sits at the corner, in the same triangle.

Worked example

  1. 1

    — The slant edge meets the base at the corner . Its shadow on the base is , so the angle is at .

  2. 2

    — is across from (opposite) and the half diagonal is next to it (adjacent). Opposite and adjacent mean tan.

  3. 3

    — We know the ratio and want the angle. Inverse tan undoes tan.

  4. 4

    — Round the angle to 1 decimal place.

A face makes a different angle with the base. For that, go from the centre to the middle of an edge, , which is 4 cm.

Worked example

  1. 1

    — is the middle of a base edge. From the centre to is half the side.

  2. 2

    — The face slopes up from the edge at , so the angle between the face and the base is at .

  3. 3

    — is opposite and is adjacent. Opposite and adjacent mean tan.

  4. 4

    — The face is steeper than the edge (51.1°) because is closer to the centre than the corner is.

Common mistake

Mixing the two. An edge uses the half diagonal; a face uses half the base side.

4. A Rectangular Base

عندما تكون القاعدة مستطيلًا نحسب قطرها من الطول والعرض معًا: نربّع كلًّا منهما ونجمع. المسافة من المركز إلى الركن نصف القطر، لذلك مربعها ربع مربع القطر، أي نقسم على أربعة. ثم في المثلث القائم عند المركز نطرح هذا المربع من مربع الحرف المائل لنجد مربع الارتفاع، ونأخذ الجذر ونقرّب لثلاثة أرقام معنوية. ولإيجاد الزاوية عند الركن: نصف القطر مجاور لها والحرف المائل هو الوتر، فنستعمل جيب التمام ثم معكوسه، ونقرّب لمنزلة عشرية واحدة. الخطأ الشائع استعمال نصف طول القاعدة بدل نصف القطر.

Not every base is a square. When the base is a rectangle, the half diagonal comes from both sides.

Formula

and are the length and width of the base. is the distance from the centre to a corner, which is half the base diagonal. Dividing by 4 here is the same as halving the diagonal.

A pyramid has a base 12 cm by 6 cm and slant edges of 11 cm. Find the height, and the angle between a slant edge and the base.

Worked example

  1. 1

    — The diagonal of the base is the longest side of a right triangle with sides 12 and 6.

  2. 2

    — Square each side: 12 × 12 = 144 and 6 × 6 = 36. Then add.

  3. 3

    — is half the diagonal, so its square is a quarter of .

  4. 4

    — Right angle at . The slant edge is the longest side, so subtract.

  5. 5

    — 121 − 45 = 76.

  6. 6

    — Take the square root and round to 3 significant figures.

  7. 7

    — The angle is at the corner. is next to it (adjacent) and the slant edge 11 is the hypotenuse. Adjacent and hypotenuse mean cos.

  8. 8

    — Inverse cos on the calculator, rounded to 1 decimal place.

Common mistake

Using half the length of the base, 6, as the distance from the centre to a corner. The corner is further away: it is half the diagonal, .

5. Slant Height of a Face

الارتفاع الجانبي للوجه هو ارتفاع المثلث المائل من منتصف حرف القاعدة صعودًا إلى القمة، وهو يختلف عن الحرف المائل الذي يذهب إلى الركن. لحسابه: نأخذ المسافة من مركز القاعدة إلى منتصف الحرف، وهي نصف ضلع القاعدة، ثم نستعمل فيثاغورس في المثلث القائم عند المركز، حيث الارتفاع الجانبي هو الوتر. مساحة الوجه نصف القاعدة في الارتفاع الجانبي، لأنه عمودي على حرف القاعدة. وفي الاتجاه العكسي: من المساحة نجد الارتفاع الجانبي، ثم نطرح مربع نصف الضلع من مربعه لنجد ارتفاع الهرم ونقرّب لثلاثة أرقام معنوية. الخطأ الشائع استعمال الحرف المائل في مساحة الوجه، لكنه مائل وليس عموديًا على القاعدة.

Some questions give the area of a face, or ask for its slant height. This is the sloping height of a face, from the middle of a base edge up to the apex. It is not the same as the slant edge, which goes to a corner.

A square-based pyramid has base sides of 10 cm and a height of 12 cm. Find the slant height of a face, and the area of that face.

Worked example

  1. 1

    — is the middle of a base edge. From the centre to is half the side.

  2. 2

    — The slant height is the longest side of the right triangle , with the right angle at .

  3. 3

    — Square each side and add.

  4. 4

    — Take the square root.

  5. 5

    — A triangle's area is half base × perpendicular height. The slant height is at right angles to the base edge, so it is the height of the face.

  6. 6

    — Multiply it out and add the unit.

Working back: another square-based pyramid has a face with base 8 cm and area 52 cm². Find the height of the pyramid.

Worked example

  1. 1

    — The area of the face is half base × slant height.

  2. 2

    — Half of 8 is 4. Divide both sides by 4.

  3. 3

    — Right angle at the centre. The slant height is the longest side, and the centre is half the side, 4, from the middle of the edge.

  4. 4

    — 13 × 13 = 169 and 4 × 4 = 16. Subtract.

  5. 5

    — Take the square root and round to 3 significant figures.

Common mistake

Using the slant edge in the area of a face. The edge goes to a corner and leans over. The height of the face must be at right angles to the base edge: the slant height.

6. Cones

المخروط يخفي المثلث القائم نفسه: الارتفاع ونصف القطر والارتفاع الجانبي، والزاوية القائمة عند مركز القاعدة. الارتفاع الجانبي يمتد من حافة القاعدة إلى الرأس وهو الوتر، فإذا أردنا الارتفاع نطرح مربع نصف القطر من مربع الارتفاع الجانبي ثم نأخذ الجذر. الزاوية بين الجانب والقاعدة تقع عند الحافة: نصف القطر مجاور لها والارتفاع الجانبي هو الوتر، فنستعمل جيب التمام ثم معكوسه ونقرّب لمنزلة عشرية واحدة. وزاوية رأس المخروط ضعف الزاوية بين الارتفاع والجانب.

A cone hides the same triangle: the height, the radius and the slant. The right angle is at the centre of the base.

Worked example

  1. 1

    — A cone has a radius and a slant height . The slant height runs from the rim up to the tip.

  2. 2

    — The right angle is at the centre of the base. The slant height is the longest side, so subtract.

  3. 3

    — 169 − 25 = 144.

  4. 4

    — Take the square root. is the vertical height of the cone.

  5. 5

    — is the angle between the slant and the base, at the rim. The radius is next to it (adjacent) and the slant is the hypotenuse. Adjacent and hypotenuse mean cos.

  6. 6

    — Inverse cos, rounded to 1 decimal place.

Key idea

The angle at the top of the cone is twice the angle between the height and the slant: .

7. Which Method? Read the Question

ابدأ بإيجاد المثلث القائم الذي يمر بالقمة. الارتفاع من حرف مائل: نصف القطر ثم اطرح المربعات. زاوية الحرف مع القاعدة: الظل، أي الارتفاع على نصف القطر. زاوية الوجه مع القاعدة: الظل، أي الارتفاع على نصف ضلع القاعدة. القاعدة مستطيلة: ربّع الطول والعرض واجمع واقسم على أربعة لتحصل على مربع نصف القطر. الارتفاع الجانبي للوجه أو مساحته: من المركز إلى منتصف الحرف ثم فيثاغورس. المخروط: الارتفاع ونصف القطر والجانب. أما متوازي المستطيلات وزاوية أي خط مع مستوى فلهما درساهما. نصيحة: ارسم المثلث المسطّح بجانب المجسّم واكتب أطواله عليه.

Find the right triangle through the apex first.

You seeYou do
Height from a slant edgehalf diagonal, then subtract squares
Angle of an edge with the basetan: height over half diagonal
Angle of a face with the basetan: height over half the side
Base is a rectanglehalf diagonal: square length and width, add, divide by 4
Slant height of a face, or its areacentre to middle of an edge, then Pythagoras
A coneheight, radius and slant
A cuboidTrigonometry in 3D: Cuboids
Angle of any line with a planeAngle Between a Line and a Plane

Key idea

Draw the flat right triangle beside the solid, with its lengths. It is much easier to see.

تدرّب على حساب المثلثات في الفراغ: الأهرامات والمخاريط

أسئلة امتحانات حقيقية تُصحَّح كما يصحّحها الممتحِن، مع شرح بالعربية لكل سؤال.

تدرّب مجاناً على Lemmara

أسئلة امتحانات سابقة على حساب المثلثات في الفراغ: الأهرامات والمخاريط، محلولة ومشروحة بالعربي