ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 3Прямоугольный параллелепипед

Прямоугольный параллелепипед в задании 3 ЕГЭ: формулы и разбор

Задачи (33)

О чём эта подтема

Задание 3 профильного ЕГЭ по математике — это простая планиметрическая или стереометрическая задача на вычисление длины, площади, объёма или угла по данному рисунку. Прямоугольный параллелепипед — одна из самых частых фигур в этом задании, потому что все его элементы связаны простыми формулами, а вычисления не требуют сложной геометрии.

Задача почти всегда сводится к применению теоремы Пифагора (иногда дважды подряд) или к подстановке в формулу площади поверхности либо объёма. Сложность не в геометрии, а в аккуратности: важно правильно понять, какие ребра и диагонали фигурируют в вопросе, и не перепутать обозначения вершин.

Цель этого гайда — собрать весь минимально необходимый набор фактов о прямоугольном параллелепипеде, показать чёткий алгоритм решения и разобрать типовые примеры пошагово.

Что нужно знать

Определение. Прямоугольный параллелепипед — это призма, все грани которой прямоугольники, а боковые ребра перпендикулярны основанию. У него три измерения — длина, ширина и высота, обозначим их aa, bb, cc (в задачах часто это ABAB, ADAD, AA1AA_1).

Обозначение вершин. Стандартно нижнее основание — ABCDABCD, верхнее — A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1, причём A1A_1 находится строго над AA, B1B_1 — над BB и так далее. Ребро AA1AA_1 (а также BB1BB_1, CC1CC_1, DD1DD_1) — боковое, оно перпендикулярно плоскости основания.

Диагонали граней. Каждая грань — прямоугольник, поэтому её диагональ находится по теореме Пифагора через два ребра этой грани. Например, диагональ нижнего основания: AC2=AB2+AD2.AC^2 = AB^2 + AD^2.

Главная диагональ параллелепипеда. Отрезок, соединяющий противоположные вершины (например, AA и C1C_1, или A1A_1 и CC), — это пространственная диагональ. Она находится по формуле, которая объединяет все три измерения: d2=a2+b2+c2,d^2 = a^2 + b^2 + c^2, где aa, bb, cc — три ребра, выходящие из одной вершины. Эта формула — фактически теорема Пифагора, применённая два раза: сначала для диагонали основания, потом для диагонали параллелепипеда как гипотенузы прямоугольного треугольника, где один катет — диагональ основания, а второй — боковое ребро.

Площадь полной поверхности. Параллелепипед имеет три пары равных прямоугольных граней с площадями abab, bcbc, caca. Поэтому: S=2(ab+bc+ca).S = 2(ab + bc + ca).

Объём. V=abc.V = abc.

Прямой угол между боковым ребром и основанием. Это ключевой факт, который позволяет применять теорему Пифагора: боковое ребро перпендикулярно любой прямой в плоскости основания, проходящей через его основание. Именно поэтому треугольник, образованный диагональю основания, боковым ребром и пространственной диагональю, — прямоугольный.

Равенство противоположных рёбер. В прямоугольном параллелепипеде противоположные рёбра равны: AB=CD=A1B1=C1D1AB = CD = A_1B_1 = C_1D_1, AD=BC=A1D1=B1C1AD = BC = A_1D_1 = B_1C_1, AA1=BB1=CC1=DD1AA_1 = BB_1 = CC_1 = DD_1. Это часто нужно для того, чтобы «перенести» длину нужного ребра из другой части фигуры.

Этого набора фактов достаточно для решения практически любой задачи №3 на прямоугольный параллелепипед: она либо просит найти диагональ (или её квадрат), либо площадь поверхности, либо объём, либо одно из ребер по остальным данным.

Как решать: метод и алгоритм

Шаг 1. Определить, что дано и что нужно найти. Внимательно прочитайте условие: даны ли три ребра, площадь поверхности, объём или диагональ. Отметьте, какие вершины участвуют в вопросе.

Шаг 2. Выбрать подходящую формулу.

  • Если нужно расстояние между противоположными вершинами (пространственная диагональ) — используйте d2=a2+b2+c2d^2 = a^2+b^2+c^2.
  • Если нужно расстояние между вершинами одной грани — используйте теорему Пифагора для этой грани.
  • Если дана площадь поверхности и два ребра, а нужно найти третье — используйте S=2(ab+bc+ca)S = 2(ab+bc+ca) и решите уравнение относительно неизвестного ребра.
  • Если дан объём и два ребра — используйте V=abcV = abc.

Шаг 3. Если формула для диагонали не сразу применима (например, вершины не являются концами главной диагонали), разбейте задачу на два шага:

  1. найдите диагональ подходящей грани (прямоугольника) по теореме Пифагора;
  2. рассмотрите прямоугольный треугольник, где эта диагональ — один катет, боковое ребро — другой катет, а искомый отрезок — гипотенуза, и снова примените теорему Пифагора.

Шаг 4. Подставить числа и решить уравнение. Обычно получается либо прямое вычисление, либо простое линейное уравнение.

Шаг 5. Проверить ответ на здравый смысл. Длины и площади должны быть положительными, квадрат расстояния — не меньше суммы отдельных квадратов ребер (если ищете диагональ).

Разбор примера

Пример 1.

Условие: найдите квадрат расстояния между вершинами CC и A1A_1 прямоугольного параллелепипеда, если AB=5AB = 5, AD=4AD = 4, AA1=3AA_1 = 3.

Анализ фигуры. Вершины A1A_1 и CC — это концы пространственной диагонали: A1A_1 лежит над AA, а CC — вершина основания, противоположная AA (диагонально противоположная вершина в прямоугольнике ABCDABCD).

Шаг 1. Диагональ основания. Основание ABCDABCD — прямоугольник со сторонами AB=5AB = 5 и AD=4AD = 4 (так как BC=ADBC = AD). По теореме Пифагора для треугольника ABCABC (или напрямую для диагонали прямоугольника): AC2=AB2+AD2=52+42=25+16=41.AC^2 = AB^2 + AD^2 = 5^2 + 4^2 = 25 + 16 = 41.

Шаг 2. Треугольник ACA1ACA_1. Ребро AA1AA_1 перпендикулярно плоскости основания, значит оно перпендикулярно и отрезку ACAC, лежащему в этой плоскости. Поэтому треугольник ACA1ACA_1 прямоугольный с прямым углом при вершине AA. Тогда: A1C2=AC2+AA12=41+9=50.A_1C^2 = AC^2 + AA_1^2 = 41 + 9 = 50.

Ответ: A1C2=50A_1C^2 = 50.

Заметьте: результат совпадает с прямым применением формулы диагонали параллелепипеда: A1C2=AB2+AD2+AA12=25+16+9=50,A_1C^2 = AB^2 + AD^2 + AA_1^2 = 25 + 16 + 9 = 50, так как AA и CC, A1A_1 и CC — противоположные по пространственной диагонали вершины. Это подтверждает, что при поиске квадрата главной диагонали можно сразу складывать квадраты трёх измерений, минуя промежуточные шаги — но важно сначала убедиться, что именно эти две вершины являются концами пространственной диагонали.

Пример 2.

Условие: два ребра прямоугольного параллелепипеда, выходящие из одной вершины, равны 3 и 4. Площадь полной поверхности равна 94. Найдите третье ребро, выходящее из той же вершины.

Шаг 1. Запишем формулу площади поверхности. Обозначим известные рёбра a=3a = 3, b=4b = 4, неизвестное ребро — cc. Тогда: S=2(ab+bc+ca)=94.S = 2(ab + bc + ca) = 94.

Шаг 2. Подставим известные значения. 2(34+4c+3c)=94.2(3\cdot 4 + 4c + 3c) = 94. 2(12+7c)=94.2(12 + 7c) = 94.

Шаг 3. Раскроем скобки и решим уравнение. 24+14c=94,24 + 14c = 94, 14c=70,14c = 70, c=5.c = 5.

Ответ: третье ребро равно 5.

Проверка. Подставим все три ребра 3,4,53, 4, 5 обратно в формулу площади: S=2(34+45+53)=2(12+20+15)=247=94.S = 2(3\cdot4 + 4\cdot5 + 5\cdot3) = 2(12+20+15) = 2\cdot47 = 94. Совпадает с условием — ответ верный.

Типичные ошибки

Путаница вершин. Самая частая ошибка — неверное определение, какие вершины являются противоположными по пространственной диагонали, а какие лежат на одной грани. Перед применением формулы диагонали всегда мысленно (или на черновике) восстанавливайте расположение вершин: нижнее основание ABCDABCD, верхнее A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1, каждая вершина верхнего основания находится строго над соответствующей вершиной нижнего.

Забывают, что диагональ грани — не диагональ параллелепипеда. Если в вопросе спрашивается расстояние между вершинами одной грани (например, AA и CC, лежащими в одном основании), достаточно одной теоремы Пифагора с двумя ребрами. Если же вершины принадлежат разным основаниям и не находятся друг над другом (как A1A_1 и CC), нужно применить теорему Пифагора дважды.

Ошибки в формуле площади поверхности. Часто забывают множитель 2 перед суммой произведений или путают, какие пары рёбер перемножать. Полезно всегда явно выписывать: S=2ab+2bc+2caS = 2ab + 2bc + 2ca, где aa, bb, cc — три различных измерения, выходящих из одной вершины.

Арифметические ошибки при возведении в квадрат. При подстановке чисел легко ошибиться со знаком или порядком операций. Рекомендуется выполнять вычисления по шагам, не объединяя несколько операций в одну строку, особенно на экзамене в условиях ограниченного времени.

Путают квадрат диагонали с самой диагональю. Если в вопросе спрашивается именно квадрат расстояния (как в примере 1), не нужно извлекать квадратный корень — ответом является число без корня. Внимательно читайте формулировку: «расстояние» и «квадрат расстояния» — разные ответы.

Неверное сопоставление ребер задаче. Если два ребра равны, скажем, 3 и 4, а третье неизвестно, важно не путать его с диагональю грани или пространственной диагональю — это разные величины, и вычисляются они по-разному.

На что обратить внимание на экзамене

Перед тем как решать, чётко определите тип задачи: ищете длину ребра, диагональ грани, пространственную диагональ, площадь поверхности или объём. От этого зависит, какую формулу применять.

Если в задаче фигурируют конкретные буквенные обозначения вершин (например, AA, CC, A1A_1), обязательно восстановите (хотя бы мысленно) стандартное расположение прямоугольного параллелепипеда: нижнее основание ABCDABCD обходится по контуру, верхнее A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1 повторяет его сверху. Не полагайтесь только на память — лучше нарисовать на черновике даже упрощённую схему.

Если задача сводится к теореме Пифагора, применённой два раза, не пытайтесь угадать короткий путь — распишите оба шага явно: сначала диагональ основания, затем полную (пространственную) диагональ. Это уменьшает риск арифметической ошибки и делает решение проверяемым.

При использовании формулы площади поверхности или объёма подставляйте числа осторожно и сразу проверяйте полученный ответ обратной подстановкой — как это было сделано во втором примере. Такая проверка занимает не больше минуты, но исключает почти все ошибки вычисления.

Помните, что в задании 3 практически никогда не требуется находить углы или сложные сечения прямоугольного параллелепипеда — упор делается именно на длины, площади и объём, поэтому весь набор формул из раздела «Что нужно знать» покрывает подавляющее большинство вариантов заданий.

Наконец, всегда обращайте внимание на то, что именно спрашивается в ответе: число, квадрат числа, или, возможно, ответ нужно округлить. Внимательное чтение условия — половина успеха в этом задании.

Частые вопросы

Как быстро найти пространственную диагональ прямоугольного параллелепипеда, если известны все три ребра?

Нужно сложить квадраты всех трёх ребер и извлечь корень: d=a2+b2+c2d=\sqrt{a^2+b^2+c^2}. Если в задаче спрашивают именно квадрат расстояния, корень извлекать не нужно — ответом будет сумма a2+b2+c2a^2+b^2+c^2.

В чём разница между диагональю грани и диагональю параллелепипеда?

Диагональ грани соединяет две вершины одной прямоугольной грани и находится по теореме Пифагора через два ребра этой грани. Диагональ параллелепипеда (пространственная диагональ) соединяет противоположные вершины всей фигуры и находится через все три измерения по формуле d2=a2+b2+c2d^2=a^2+b^2+c^2.

Как найти третье ребро, если известны площадь поверхности и два других ребра?

Подставьте известные ребра в формулу S=2(ab+bc+ca)S=2(ab+bc+ca), обозначив неизвестное ребро буквой, и решите полученное линейное уравнение относительно него.

Нужно ли на экзамене доказывать, что боковое ребро перпендикулярно диагонали основания?

Нет, в задании 3 это считается известным свойством прямоугольного параллелепипеда и применяется сразу без доказательства — важно лишь верно построить прямоугольный треугольник для теоремы Пифагора.

Как проверить правильность найденного ребра по формуле площади поверхности?

Подставьте все три найденных значения рёбер обратно в формулу S=2(ab+bc+ca)S=2(ab+bc+ca) и убедитесь, что получается число, совпадающее с данным в условии значением площади.

Что делать, если в условии не указано, какие вершины являются противоположными по диагонали?

Восстановите стандартное расположение вершин: нижнее основание ABCDABCD по контуру, верхнее A1B1C1D1A_1B_1C_1D_1 строго над соответствующими вершинами. Противоположными по пространственной диагонали являются вершины, у которых буквы оснований противоположны (например, AA и C1C_1, или A1A_1 и CC).