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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA 12.3 LA FUNCIÓN VOLUMEN Definición 91. Volumen de un poliedro convexo Sea el conjunto de todos los poliedros convexos del espacio , esto es es un poliedro convexo, . Definimos una función que llamaremos volumen y que designaremos por V, con dominio en el conjunto y codominio en el conjunto IR + (números reales positivos) con las siguientes propiedades: IR + “el volumen del poliedro Esta función satisface cuatro propiedades así: P1. A todo cubo de arista con longitud igual a l se le asigna como volumen . En particular a un cubo de arista con longitud igual a 1 unidad de longitud, su volumen corresponde a esto es a una unidad cúbica. En este caso decimos que el cubo es unitario. P2. Si dos poliedros convexos son congruentes, entonces tienen el mismo volumen. P3. Si un poliedro convexo se particiona en un número finito n de poliedros convexos , entonces . Esta propiedad se designa también como Postulado de adición del volumen. Nota: La intersección de dos poliedros cualesquiera de la partición es el conjunto vacío, un punto, un segmento (arista) ó un polígono. P4. Sean y dos poliedros convexos, un plano dado. Si todo plano paralelo a y que interseca a y a determina en esto secciones transversales de igual área, entonces . Esta propiedad se llama también el Postulado de Cavalieri. P X X P / E X P P V : donde ( ) se lee V ) ( X V X 3 l 3 1 1 2 , , ......, n 1 2 ...... n V V V V ´ ´ ´ V V Material educativo Uso no comercial

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

12.3 LA FUNCIÓN VOLUMEN

Definición 91. Volumen de un poliedro convexo

Sea el conjunto de todos los poliedros convexos del espacio , esto es es

un poliedro convexo, .

Definimos una función que llamaremos volumen y que designaremos por V, con dominio

en el conjunto y codominio en el conjunto IR+ (números reales positivos) con las siguientes

propiedades:

IR+ “el volumen del poliedro ”

Esta función satisface cuatro propiedades así:

P1. A todo cubo de arista con longitud igual a l se le asigna como volumen . En particular

a un cubo de arista con longitud igual a 1 unidad de longitud, su volumen corresponde a

esto es a una unidad cúbica. En este caso decimos que el cubo es unitario.

P2. Si dos poliedros convexos son congruentes, entonces tienen el mismo volumen.

P3. Si un poliedro convexo se particiona en un número finito n de poliedros convexos

, entonces . Esta propiedad se designa

también como Postulado de adición del volumen.

Nota:

La intersección de dos poliedros cualesquiera de la partición es el conjunto vacío, un

punto, un segmento (arista) ó un polígono.

P4. Sean y dos poliedros convexos, un plano dado. Si todo plano paralelo a y

que interseca a y a determina en esto secciones transversales de igual área, entonces

. Esta propiedad se llama también el Postulado de Cavalieri.

P XXP /

EX

P

PV : donde ( ) se leeV

)(XVX

3l

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1 2, ,......, n 1 2 ...... nV V V V

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Nota:

Utilizamos también los términos “capacidad” o “medida de un poliedro convexo” para

indicar su volumen. Así dado un poliedro convexo designamos ó

ó su volumen.

Definición 92. Poliedros convexos equivalentes

Son aquellos poliedros convexos que tiene el mismo volumen.

Convención. Si , esto lo notaremos

Observación:

A continuación presentamos los teoremas que nos precisan los volúmenes de los

poliedros convexos en las dos categorías establecidas para su clasificación, todos ellos se

pueden demostrar utilizando básicamente las cuatro propiedades de la función volumen, en

forma análoga al procedimiento que empleamos en su momento para demostrar las áreas de

los polígonos convexos, utilizando únicamente las propiedades de la función área.

Por las razones indicadas previamente solo procederemos a la demostración de algunos

teoremas, pero el orden lógico propuesto, permite la demostración de todos y cada uno de

ellos.

Figura 234

1 2.... kA A A 1 2.... kV A A A

1 2.... kC A A A 1 2.... km A A A

´V V X

Corolario 1.

El volumen de un cubo es igual al producto del área de una cualquiera de sus caras por la

distancia a la cara opuesta.

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Demostración

Sea el cubo de vértices ABCDEFGH como se indica en la figura 234 de longitud de arista l.

Hipótesis

El volumen de este cubo es igual a por propiedad P1 de la función volumen y la

hipótesis, esto es .

A su vez por propiedad asociativa del producto, pero

por el teorema correspondiente al área de un cuadrado y , siendo AE la distancia entre

las caras opuestas ABCD y EFGH por definición de cubo. En consecuencia

distancia entre estas dos caras opuestas.

Se designan como dimensiones del paralelepípedo rectángulo las longitudes de dos aristas

adyacentes de la base y una arista lateral, estas usualmente se denominan también: largo,

ancho y alto.

3l

3V ABCDEFGH l

3 2 .l l l 2cuadradoA ABCD l

l AE

cuadradoV ABCDEFGH A ABCD

Corolario 3. Volumen de un paralelepípedo rectángulo

El volumen de un paralelepípedo rectángulo es igual al producto de sus tres dimensiones.

TEOREMA 119.

El volumen de un paralelepípedo rectángulo es igual al producto del área de la base por

la altura.

.

Corolario 2.

El volumen de un cubo es igual al área de la base por la altura.

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Figura 235

Demostración

Sea el paralelepípedo rectángulo de vértices ABCDEFGH de aristas en la base de longitudes

a y b, y de arista lateral de medida c, como se indica en la figura 235. Hipótesis.

Consideremos el caso más simple en el cual a, b, c ℤ (positivos).

Podemos particionar el rectángulo ABCD en un total de a b cuadrados unitarios, y dividir

el segmento en c segmentos unitarios y por cada una de estas divisiones trazamos un

plano paralelo a la base ABCD.

De esta manera podemos particionar el paralelepípedo rectángulo en un total de a b c

cubos unitarios y por la propiedad P3 de la función volumen, tenemos que

En el caso general se toman segmentos unitarios más pequeños que permitan determinar

finalmente un cubo unitario y llegar a la misma expresión.

AF

Por la propiedad asociativa en producto

Área

Área de la base por la altura

V ABCDEFGH a b c

a b c

ABCD c

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Este tema tiene que ver con la teoría de la medida y la expresión de un número real como

una aproximación de números racionales, en el capítulo 4 correspondiente a los axiomas de

medida se puede analizar este proceso.

Figura 236

Demostración

Sea el paralelepípedo ABCDEFGH de la figura 236a recto, con aristas adyacentes a la base

de dimensiones a y b, con dimensión c. Hipótesis.

Por los vértices A y B de la base determinemos y . Figura 236b.

Por los vértices E y F de las bases determinemos y .

Los triángulos rectángulos: por el caso hipotenusa

cateto, a partir de la hipótesis y en consecuencia el prisma triangular

, de donde se desprende que ,

figura 236b.

'AD DC 'BC DC

'EH HG 'FG HG

' ' ' 'ADD BCC EHH FG G

' ' ' 'BC CFGG ADD EHH ' ' ' 'BC CFGG ADD EHH

TEOREMA 120. Volumen de un paralelepípedo recto (Ortoedro).

El volumen de un paralelepípedo recto es igual al producto del área de la base por la

medida de la altura.

.

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Ahora por la propiedad P3, a

su vez:

por propiedad P2, pero

nuevamente por la

propiedad P3, pero ABC’D’EFG’H’ es un paralelepípedo rectángulo y en consecuencia

por el corolario del teorema 119, las

congruencias anteriores establecidas para los triángulos y nos permite

afirmar que y por lo tanto y

finalmente por la transitividad .

Figura 237

Demostración

Sea el paralelepípedo ABCDEFGH de base con aristas de magnitud a y b, con arista lateral

de medida c y altura de medida h como se indica en la figura 237a. Hipótesis.

En el mismo plano que contiene la base ABCD, construyamos la base del

paralelepípedo A’B’C’D’E’F’G’H’ recto, esta base es congruente al paralelogramos ABCD y en

' ' ' 'V ABCDEFGH V ABC DEFG H V BC CFG G

' ' ' 'V ABCDEFGH V ABC DEFG H V ADD EHH

' ' ' ' ' ' ' ' 'V ABC DEFG H V ADD EFG H V ABC D EFG H

' ' ' Área ' 'V ABC D EFG H ABC D AE

'BC C 'ADA

' 'ABC D ABCD ' ' ' ' ÁreaV ABC D EFG H ABCD AE

ÁreaV ABCDEFGH ABCD AE

TEOREMA 121. Volumen de un paralelepípedo

El volumen de un paralelepípedo es igual al producto del área de la base por la medida de

la altura.

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consecuencia de aristas con dimensiones a y b, la arista lateral de este último igual a h y por

consiguiente su altura también tiene como medida h.

En obvio que todo plano paralelo a y que intercepta a ambos paralelepípedos lo hace

determinando secciones transversales equivalentes (paralelogramos congruentes a ABCD y a

A’B’C’D’ respectivamente) por lo tanto por la propiedad P4 (Postulado de Cavalieri) ambos

paralelepípedos son equivalentes y concluimos que:

.

Demostración

Sea el prisma triangular recto ABCDEF como se indica en la figura 238a.

Figura 238

ÁreaV ABCDEFGH ABCD h

TEOREMA 122. Volumen de un prisma triangular recto

El volumen de un prisma triangular recto es igual al producto del área de la base por la

altura.

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Construyamos el prisma triangular recto ACT’DFQ’ congruente con el prisma ABCDEF

como se indica en la figura 248b, luego por la propiedad P2 de la

función volumen.

A su vez el poliedro ABCT’DEFQ’ es un paralelepípedo recto y en consecuencia tenemos

por el Teorema 120.

por la propiedad P3 de la función volumen y la

equivalencia de volúmenes establecida.

Pero

Esto es

Nota:

Para su demostración utilice el Teorema 122, Corolario 1. Ver la figura 239.

' 'ABCDEF ACT DFQ

' ' Área 'V ABCT DEFQ ABCT AD

' ' 2V ABCT DEFQ V ABCDEF

1

2 Área ABCT'2

V ABCDEF AD

Área ABCV ABCDEF AD

Área de la baseV ABCDEF altura

Corolario 1. Volumen de un prisma triangular cualquiera

El volumen de todo prisma triangular es igual al producto del área de la base por la

medida de su altura

Corolario 2. Volumen de un prisma cualquiera

El volumen de todo prisma, cualquiera que sea su base, es igual al producto del área de

la base por la medida de su altura.

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Figura 239

Sea la pirámide triangular D-ABC como se muestra en la figura 240a con altura de medida h.

Figura 240

Teorema 123. Volumen de una pirámide triangular (tetraedro)

El volumen de una pirámide triangular es igual a la tercera parte del volumen de un

prisma triangular de la misma base y de la misma altura

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

La demostración se puede desarrollar en dos etapas así:

1. Se demuestra que dos tetraedros que tienen la misma base e igual altura son

equivalentes, en las figuras 240a y 240b se ilustran dos tetraedros con estas

condiciones.

2. Se construye el prisma de base en el a partir del tetraedro D-ABC como se

indica en la figura 240a y se particiona este prisma en los tetraedros D-ABC, C-DTS y

D-ACS, como se muestra en las figuras 241a y 241b y se prueban que estos tetraedros

son equivalentes.

Se concluye en consecuencia que , esto es,

Téngase en cuenta que la altura del tetraedro D-ABC es la misma que la del prisma

ABCSDT (distancia entre dos planos paralelos)

Figura 241

ABC

1

3V D ABC V ABCSDT

1

Área3

V D ABC ABC h

Corolario

El volumen de una pirámide de base triangular es igual a la tercera parte del área de la

base por la medida de su altura.

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Demostración

Consideremos dos casos generales así:

Caso 1. Pirámide de base triangular.

Esta situación se consideró en el teorema 123, volumen del tetraedro.

Caso 2. Pirámide de base no triangular.

Sea la pirámide V-ABCDEFG de altura con medida h. (Hipótesis) como se indica en la figura

242a.

Figura 242

Particionemos la pirámide V-ABCDEFG en los cinco tetraedros de vértice común en el

punto V, V-AFG, V-AEF, V-ADE, V-ACD y V-ABC respectivamente como se indica en la figura

242b.

Por la propiedad P3 de la función volumen.

A su vez tenemos para cada uno de los tetraedros anteriores:

V V ABCDEFG V V AFG V V AEF V V ADE V V ACD V V ABC

Teorema 124. Volumen de la pirámide

El volumen de una pirámide cualquiera que sea su base es igual a un tercio del área de la

base por la medida de su altura.

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ELEMENTOS DE GEOMETRÍA EUCLIDIANA

Teorema 123, volumen del tetraedro

Sumando miembro a miembro las ecuaciones (1) a (5) obtenemos:

11

3

12

3

13

3

14

3

15

3

V V AFG A AFG h

V V AEF A AEF h

V V ADE A ADE h

V V ACD A ACD h

V V ABC A ABC h

1 =

3

1 =

3

V V AFG V V ADE V V ACD V V ABC

A AFG A AEF A ADE A ACD A ABC h

A ABCDEFG h

Corolario

Dos pirámides con bases equivalentes y de igual medida en sus alturas son

equivalentes.

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