Partición de un paralelepípedo en pirámides de base cuadrilátera. Caso general.

Título: Partición de un paralelepípedo en pirámides de base cuadrilátera. Caso general.
Sección: Miscelánea
Bloque: Geometría
Unidad: Geometría tridimensional
Nivel/Edad: A partir de 2º ESO (13 años o más)
Idioma: Castellano
Autoría: José R. Galo Sánchez

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Este mes vamos a ver los movimientos en el plano, correspondientes a 3ºESO Académicas:

1.Vectores
   Concepto de vector. Coordenadas
   Vectores equipolentes
   Suma de vectores

2.Traslaciones
   Traslación según un vector
   Composición de traslaciones

3.Giros
   Giro de centro O y ángulo α
   Simetría central
   Figuras invariantes de orden n

4.Simetría axial
   Simetría de eje e
   Figuras con eje de simetría
   Composición de simetrías axiales

 

Publicado en Vídeos

"Si comparamos las anteriores veintiuna particiones del cubo ¿cuántas son congruentes a su vez entre sí?, es decir, ¿cuántas son diferentes salvo isometrías?"... Esta pregunta quedó abierta en el artículo "Partición de un cubo en pirámides (y parte III)" y en esta adenda procedemos a su respuesta.

1. Reducción por congruencia de las particiones prismáticas del cubo en seis pirámides triangulares equivalentes 

Podemos realizar dos planteamientos conducentes a determinar el menor número de particiones diferentes salvo isometrías:

Opción A

En las treinta y seis particiones prismáticas del cubo observamos que la partición P2-P1 es congruente con la P1-P2 sin más que realizar un giro de 180º alrededor de la vertical (eje Oz) y, por tanto, quedaban reducidas a veintiuna las posibles particiones. Éstan son : {I-I, I-II, I-III, I-IV, I-V, I-VI, II-II, II-III, II-IV, II-V, II-VI, III-III, III-IV, III-V, III-VI, IV-IV, IV-V, IV-VI, V-V, V-VI, VI-VI}. Y en particular, entre ellas, hay tres casos en los que todas las pirámides son congruentes: {I-I, I-IV, IV-IV}.

Partición con pirámides equivalentes

Escena 1. Congruencia mediante giro de 180º alrededor del eje Oz

En el análisis de la descomposición del prisma triangular en tres pirámides triangulares equivalentes indicamos que la aplicación de una simetría y de un giro alrededor del eje Oy generaba las siguientes transformaciones:

  tipo partición del prisma transformada 
tipo partición del prisma original SIMETRÍA GIRO ALREDEDOR OY
IV I
II VI
III VI V
IV I IV
V II III
VI III II

 

que aplicadas a las particiones del cubo conducen a: 

Simetría       Giro alrededor de Oy

  I II III IV V VI
I IV-IV V-IV VI-IV I-IV II-IV III-IV
II IV-V V-V VI-V I-V II-V III-V
III IV-VI V-VI VI-VI I-VI II-VI III-VI
IV IV-I V-I VI-I I-I II-I III-I
V IV-II V-II VI-II I-II II-II III-II
VI IV-III V-III VI-III I-III II-III III-III

  I II III IV V VI
I I-I I-VI I-V I-IV I-III I-II
II VI-I VI-VI VI-V VI-IV VI-III VI-II
III V-I V-VI V-V V-IV V-III V-II
IV IV-I IV-VI IV-V IV-IV IV-III IV-II
V III-I III-VI III-V III-IV III-III III-II
VI II-I II-VI II-V II-IV II-III II-II

 

Así pues combinando estas isometrías podemos ver las relaciones existentes entre las treinta y seis particiones e identificar las congruencias existentes entre las mismas. Esto puede verse interactivamente en la siguiente escena:

Congruencias en las particiones del cubo

Escena 2. Congruencias en las particiones del cubo

Opción B

Otro planteamiento posible sería partir de las dos particiones posibles del prisma (I y II), junto a sus congruencias respectivas (IV y III, V, VI) y abordar las combinaciones de las mismas para formar el cubo. Esto nos lleva a:

I-I    particiones del cubo
I-II   particiones del cubo
I-III   particiones del cubo
I-IV   particiones del cubo
I-V  congruente con I-III  
I-VI congruente con I-II  
II-II   particiones del cubo
II-III   particiones del cubo
II-IV congruente con I-III  
II-V   particiones del cubo
II-VI   particiones del cubo

 

La primera opción tiene como ventaja el poder ver todas las particiones posibles, agrupadas por congruencia, y la segunda el ser un análisis más breve. Ambas nos permiten obtener las conclusiones finales expuestas a continuación.  

2. Conclusiones en la partición prismática del cubo en seis pirámides triangulares equivalentes 

Del análisis anterior se concluye que, salvo isometrías, hay sólo ocho formas diferentes de descomponer prismáticamente el cubo en seis pirámides equivalentes y entre ellas hay dos en las que todas las pirámides son también congruentes entre sí.

Conclusiones en las particiones prismáticas del cubo

Escena 3. Las ocho particiones prismáticas del cubo, salvo isometrías

 

Todo queda englobado en este objeto interactivo:

Partición prismática de un cubo en pirámides triangulares equivalentes

Objeto interactivo: Partición prismática del cubo en pirámides triangulares equivalentes

 

Nota bene. 

En los artículos publicados en este blog con el título "Particiones del cubo en pirámides" se han realizado las siguientes aportaciones:

1. Partiendo de las clásicas y conocidas descomposiciones del cubo en tres, cuatro, cinco y seis pirámides de base cuadrada, aquí se ha planteado una visión global que muestra que los casos anteriores no son más que cuatro casos particulares de una infinidad de particiones, todas construidas en base a considerar un punto que pasa a configurarse como el vértice común a todas las pirámides que conforman cada partición. El cardinal mínimo de la partición se alcanza en tres pirámides.

2. En base a la partición genérica anterior, se ha descompuesto de manera general el cubo en seis, ocho, diez y doce pirámides triangulares mediante la subdivisión de cada pirámide cuadrada en dos triangulares. En el caso de seis pirámides se demuestra que dichas pirámides son siempre equivalentes, de igual volumen.

3. Constructivamente se prueba que la partición del cubo en pirámides triangulares alcanza su cardinal mínimo en una única y clásica partición en cinco pirámides triangulares compuesta por un tetraedro regular y cuatro pirámides trirrectángulares, pero que no tienen igual volumen. 

4. Centrándose en las particiones del cubo en pirámides triangulares que sean equivalentes (igual volumen) se ha obtenido que en este caso el cardinal mínimo es de seis y pueden englobarse en particiones no prismáticas y particiones prismáticas (aquellas en las que el cubo queda a su vez dividido en dos prismas triangulares).

5.  Se ha abordado y analizado la partición de un prisma triangular en tres pirámides equivalentes, como problema conducente a la partición prismática del cubo, y se ha concluído que salvo isometrías hay sólo dos posibilidades. En particular en una de ellas las tres pirámides son además congruentes (coincidentes mediante isometrías).

6. A partir de la descomposición del prisma se han construido las posibles particiones prismáticas del cubo en pirámides triangulares equivalentes obteniéndose ocho posibilidades y, entre ellas, dos casos en las que las seis pirámides además son congruentes.

Así pues, un problema clásico —la partición de un cubo en pirámides cuadradas y triangulares—, que ha sido siempre expuesto de manera parcial a través de ejemplos particulares que no detallan la totalidad de las posibilidades, aquí se ha analizado constructivamente desde una perspectiva metódica, englobadora que logra hacer un completo y detallado recubrimiento descriptivo de su solución.

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Partición prismática de un cubo en pirámides triangulares equivalentes

Título: Partición prismática de un cubo en pirámides triangulares equivalentes
Sección: Miscelánea
Bloque: Geometría
Unidad: Geometría tridimensional
Nivel/Edad: A partir de 2º ESO (13 años o más)
Idioma: Castellano
Autoría: José R. Galo Sánchez

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Partición de un prisma triangular en pirámides triangulares equivalentes

Título: Partición de un prisma triangular en pirámides triangulares equivalentes
Sección: Miscelánea
Bloque: Geometría
Unidad: Geometría tridimensional
Nivel/Edad: A partir de 2º ESO (13 años o más)
Idioma: Castellano
Autoría: José R. Galo Sánchez

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La partición de un cubo en pirámides triangulares tiene su cardinal mínimo en cinco pirámides, pero hay una única forma de realizar esta partición. La descomposición en seis pirámides triangulares amplía el número de formas de realizarla y da lugar a particiones que podemos encuadrar en dos bloques: no prismáticas o prismáticas. En estas últimas todas las pirámides son equivalentes (igual volumen) o incluso congruentes. En este artículo nos centraremos en la partición prismática de un cubo en pirámides triangulares equivalentes. Análisis previos que nos conducen a esta situación fueron detallados en el artículo "Partición del cubo en pirámides (parte II)".

 Particiones de un cubo en pirámides triangulares equivalentes 

El plano determinado por dos diagonales con igual dirección en dos caras opuestas de un cubo interseca a éste dividiéndolo en dos prismas triangulares cuyas bases son triángulos rectángulos isósceles. Consecuentemente, la descomposición de un cubo en pirámides triangulares puede abordarse analizando la partición de un prisma recto de base un triángulo isósceles rectángulo. Este procedimiento es el que denominaremos partición prismática del cubo. Sin pérdida de generalidad consideraremos que el lado del cubo es la unidad.

Descomposición cubo en dos prismas triangulares

Escena 1. División del cubo en dos prismas triangulares

1. Descomposición de un prisma triangular en pirámides triangulares

Consideremos el prisma recto de vértices {A, B, C, E, F, G}, donde la base superior se corresponde con los tres primeros vértices y la inferior con los tres últimos (ver escena 1). Queremos descomponerla en pirámides de base triangular y para ello hemos de tene en cuenta que:

  • El menor número de pirámides se obtendrá cuando se consideren sólo los seis vértices del prisma como posibles vértices de las pirámides de la partición.
  • Los elementos primarios mínimos para abordar la partición son ocho triángulos (las dos bases del prisma y seis más resultantes de dividir las tres caras laterales en triángulos) y 12 segmentos (las nueve aristas y las tres diagonales de las caras laterales). Y dado que dos pirámides de la partición han de tener tres caras diferentes como mínimo, entonces también son como mínimo tres las pirámides que formarán la partición (ocho caras entre tres nos da un valor mayor que dos).

Basándonos en que una pirámide triangular queda determinada sin más que elegir dos segmentos con distinta dirección no coplanarios, una forma de abordar la partición del prisma de vértices {A, B, C, E, F, G} en tres pirámides triangulares se logra considerando dos aristas no coplanarias, una de la base ABC y otra de la EFG (Ver escena 2). Los cuatro vértices de esas dos aristas determinan una pirámide triangular que parte al prisma en tres bloques (se puede simular la situación en dicha escena 2) quedando fijadas, junto a ésta, las otras dos pirámides buscadas. Hay sólo seis posibilidades que vamos a denotar como partición I, II, III, IV, V y VI.
Partición prisma en pirámides triangulares

 

Escena 2. Particiones del prisma en tres pirámides triangulares (I, II, III, IV, V y VI) y detalle de la partición tipo I

  1. BC con EF que conduce a la pirámide BCEF y determina a ABCE y CEFG
  2. AC con EF que conduce a ACEF y determina a ABCF y CEFG
  3. AB con EG que conduce a ABEG y determina a ABCG y BEFG
  4. AB con FG que conduce a ABFG y determina a ABCG y AEFG
  5. AC con FG que conduce a ACFG y determina a ABCF y AEFG
  6. BC con EG que conduce a BCEG y determina a ABCE y BEFG

Distinguiendo los vértices por su nombre, en esas seis particiones aparecen doce pirámides diferentes, lo cual obviamente se corresponde con las combinaciones que se pueden obtener a partir de los seis vértices {A, B, C, E, F, G} agrupándolos de cuatro en cuatro, que son los vértices de una pirámide, y quitando aquellas agrupaciones en las que los cuatro vértices son coplanarios. Así pues, son C6, 4 = 15 combinaciones diferentes {ABCE, ABCF, ABEF, ABEG, ABFG, ACEF, ACEG, ACFG, AEFG, BCEF, BCEG, BCFG, BEFG, CEFG} y se excluyen los tres casos que hemos tachado por ser cuatro vértices coplanarios. Este podría ser también otro procedimiento alternativo al anterior para analizar las diferentes particiones del prisma.

En esas doce pirámides intervienen 15 aristas posibles, pues son combinaciones de seis vértices tomados de dos en dos, C6, 2 = 15. Son las reflejadas en la tabla 1,  donde se indica su medida respectiva.

AB=1         
AC=√2  BC=1      
 AE=1  BE=√2  CE=√3    
 AF=√2  BF=1  CF=√2  EF=1   
 AG=√3  BG=√2  CG=1  EG=√2  FG=1

Tabla 1. Aristas de las pirámides y longitud de las mismas

En la tabla 2 podemos agrupar toda la información anterior y comparar las pirámides de esas particiones buscando detectar cuales son iguales o del mismo tipo.  FIjándonos en la medida de las aristas que las componen se observa que hay tres tipos de pirámides que hemos etiquetado como X, Y, Z y, como detallaremos a continuación, en el tipo X se distinguen dos modalidades que etiquetamos como 1 y 2.  También se refleja si la partición está constituida por pirámides congruentes entre sí (y por tanto también equivalentes) o si son sólo equivalentes.

Partición Pirámide Aristas Tipo Modalidad Congruencia y Equivalencia
I ABCE  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 2 Congruencia
BCEF  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 1
CEFG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 2
II ABCF  1, 1, 1, √2, √2, √2 Y   Equivalencia
ACEF  1, 1, √2, √2, √2, √3 Z  
CEFG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 2
III ABCG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 1 Equivalencia
ABEG  1, 1, √2, √2, √2, √3 Z  
BEFG  1, 1, 1, √2, √2, √2 Y  
IV ABCG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 1 Equivalencia
ABFG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 2
AEFG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 1
V ABCF  1, 1, 1, √2, √2, √2 Y   Equivalencia
ACFG  1, 1, √2, √2, √2, √3 Z  
AEFG  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 1
VI ABCE  1, 1, 1, √2, √2, √3  X 2 Equivalencia
BCEG  1, 1, √2, √2, √2, √3  Z  
BEFG  1, 1, 1, √2, √2, √3 Y  

Tabla 2. Desglose de particiones, pirámides que lo conforman, longitud de las aristas que lo componen, tipo de pirámide y modalidad, y congruencia y/o equivalencia

Cada partición del prisma la vamos a distinguir con el número romano que le hemos asignado o sin más que nombrar los tipos de pirámide que la forman para lo que convendremos hacerlo de arriba hacia abajo de acuerdo a la ubicación inicial de la pirámide en la que la base superior tiene de vértices ABC y la inferior EFG. Así la partición II viene dada por {Y, Z, X2}.

Procedamos a analizar cada uno de los tipos de pirámides que aparecen en dichas particiones.

1.1 Pirámide tipo Y

Atendiendo sólo a la forma, es decir, considerando que todas las caras son de igual color y no etiquetando los vértices, sólo es posible una pirámide triangular cuyas aristas midan 1, 1, 1, √2 , 2, 2 (escena 3).  Su desarrollo plano está compuesto por un triángulo equilátero de lado 2 y tres triángulos rectángulos isósceles de catetos 1 y de hipotenusa2. El desarrollo, como se ha representado en la figura, tiene simetría axial con eje de simetría cualquiera de las alturas del triángulo equilátero y por tanto, independientemente de la orientación con la que se realiza el plegado (hacia dentro o hacia fuera) se obtiene la misma pirámide. El volumen de esta pirámide es 1/6 u3.

Pirámide triangular tipo Y

Escena 2. Pirámide triangular tipo Y (trirrectángula)

1.2 Pirámide tipo Z

De manera análoga al caso anterior, si atendemos sólo a la forma, sólo es posible una pirámide triangular cuyas aristas midan 1, 1, √2, √2, √2, √3 (escena 3). Su desarrollo plano está compuesto por un triángulo equilátero de lado √2, un rectángulo isósceles de catetos 1 e hipotenusa √2 y dos triángulos rectángulos de catetos 1 y √2 e hipotenusa √3. Este desarrollo, como está representado en la figura, tiene simetría axial con eje de simetría la altura del triángulo equilátero que es altura a la vez del triángulo rectángulo isósceles. Así pues, independientemente de la orientación con la que se realiza el plegado (hacia dentro o hacia fuera) se obtiene la misma pirámide. El volumen de esta pirámide es también 1/6 u3, por tanto, equivalente a la pirámide tipo Y.

Pirámide triangular tipo Z

Escena 3. Pirámide triangular tipo Z

1.3 Pirámide tipo X

Con las aristas de medidas 1, 1, 1, √2, √2, √3 se pueden construir dos pirámides triangulares siendo una simétrica de la otra (escena 4). Los desarrollos planos son simétricos entre sí. Eligiendo uno de ellos, si se pliega hacia dentro se obtiene una de las pirámides y al plegarlo hacia fuera se obtiene la otra. Ambas tienen volumen 1/6 u3, es decir, son equivalentes entre sí y a las pirámides Y y Z.
También en la parte inferior de dicha figura puede observarse cómo ambas pirámides son simétricas, una respecto a la otra, en el sentido de que si hacen coincidir dos caras que sean iguales el plano que separa a ambas pirámides es un plano de simetría de las mismas. X1 y X2 son, por tanto, congruentes entre sí.

Pirámidse triangulares tipo X

Escena 4. Pirámides triangulares tipo X —X1 en color azul y X2 en color verde—, desarrollo plano de las mismas y simetría de una respecto a la otra

1.4 Particiones del prisma triangular

Las seis particiones del prisma reflejadas en la tabla 2 están representadas en la escena 5, donde se han mantenido los colores usados anteriormente en cada tipo de pirámide para así poder distinguir a simple vista cuál es la pirámide utilizada: rojo para tipo Y, blanco para tipo Z, azul para X1 y verde para X2.

Particiones del prisma

Escena 5. Particiones del prisma triangular

No obstante, de esas seis hay solamente dos que no son congruentes entre sí, pues tenemos que se cumplen las siguientes relaciones:

  • Las particiones II, III, V y VI son congruentes entre sí:
    • La partición tipo V —compuesta por las pirámides Y, Z, X1— es congruente con la  III —compuesta por las pirámides X1, Z, Y—, basta realizar un giro de 180⁰.
    • La partición VI —compuesta por las pirámides X2, Z, Y— es congruente con la II —compuesta por las pirámides Y, Z, X2— mediante un giro.
    • La partición tipo V —compuesta por las pirámides Y, Z, X1— es congruente con la II —compuesta por las pirámides Y, Z, X2— mediante una simetría (según lo indicado con anterioridad Y es simétrica de sí misma, Z también, y X1 es simétrica de X2.
  • Las particiones I y IV son congruentes entre sí:
    • La partición IV —compuesta por las pirámides X1, X2, X1— es simétrica de la I —compuesta por las pirámides X2, X1, X2—.

Congruencias entre las particiones

Escena 6. Congruencias en las particiones del prisma triangular

Si nuestro objetivo final es exclusivamente la partición de dicho prisma en pirámides triangulares tendríamos que indicar que, salvo isometrías, sólamente hay dos particiones posibles y, por tanto, bastaría considerar, por ejemplo, la partición I y la II. En ellas, a su vez, en la partición I las pirámides son congruentes entre sí (y consecuentemente equivalentes) y en la II son sólo equivalentes.

Partición con pirámides congruentes y con pirámides equivalentes

Escena 7. Partición del prisma con pirámides congruentes y con pirámides equivalentes

Todo lo analizado en este punto está englobado en el siguiente objeto interactivo: Partición de un prisma triangular en pirámides triangulares equivalentes

Escena 8. Partición de un prisma triangular en pirámides triangulares equivalentes

 

2. Partición prismática de un cubo en pirámides triangulares equivalentes

Para abordar la partición prismática del cubo, es decir, su descomposición mediante la unión de dos prismas es necesario tener en cuenta que la orientación de uno de ellos respecto al otro es significativa y consecuentemente hemos de considerar como diferentes las seis particiones del prisma triangular obtenidas en la sección anterior, dado que ellas son el fruto de hacer una distinción entre la cara inferior y la superior del prisma. O bien podemos hacer la lectura de que partiendo de las dos únicas particiones I y II del prisma al aplicarles isometrías tendríamos que son seis las particiones posibles en un prisma al distinguir la cara inferior de la superior.

Seleccionada una de las seis particiones posibles del prisma triangular, al aplicarle isometrías obtendremos otro prisma y los dos juntos conformarán una partición prismática del cubo en seis pirámides triangulares equivalentes.  En la tabla 3 se reflejan las posibles transformaciones isométricas a realizar.

giro alredror Oz giro alredror Oz y Oy simetría respecto a un plano
giro alredror Oz giro alredror Oz y Oy simetría respecto a un plano
Giro alrededor del eje Oz Giro alrededor del eje Oz y del eje Oy Simetría respecto a un plano

Tabla 3. Isometrías para obtener un cubo a partir de un prisma triangular

 En la tabla 4 se reflejan estas transformaciones aplicadas a cada una de las seis particiones:

 Partición Giro Oz Giro Oz, Oy Simetría
I = X2, X1, X2 X2, X1, X= I X2, X1, X= I X1, X2, X= IV
II = Y, Z, X2 Y, Z, X2 = II X2, Z, Y = VI Y, Z, X1 = V
III = X1, Z, Y X1, Z, Y = III Y, Z, X1 = V X2, Z, Y= VI
IV = X1, X2, X
X1, X2, X= IV X1, X2, X= IV X2, X1, X= I
V = Y, Z, X1
Y, Z, X1 = V X1, Z, Y = III Y, Z, X2 = II
VI = X2, Z, Y X2, Z, Y = VI Y, Z, X2 = II X1, Z, Y = III

Tabla 4. Isometrías para obtener un cubo a partir de un prisma triangular

Por tanto, las diferentes particiones del cubo en seis pirámides equivalentes se obtienen sin más que hallar las variaciones con repetición de 6 elementos (las seis diferentes particiones del prisma) tomados de dos en dos, es decir, un total de VR6,2=62=36 posibilidades.

Partición con pirámides equivalentes

Escena 8. Partición prismática del cubo en pirámides triangulares equivalentes

De partida, al comparar esas 36 posibilidades, se observa que la partición P2-P1 es congruente con la P1-P2 sin más que realizar un giro de 180º alrededor de la vertical (eje Oz) y, por tanto, quedan reducidas a 21 las posibles particiones (combinaciones con repetición CR6,2). Éstan son : {I-I, I-II, I-III, I-IV, I-V, I-VI, II-II, II-III, II-IV, II-V, II-VI, III-III, III-IV, III-V, III-VI, IV-IV, IV-V, IV-VI, V-V, V-VI, VI-VI}. Y en particular, entre ellas, hay tres casos en los que todas las pirámides son congruentes: {I-I, I-IV, IV-IV}. 

En la siguiente escena se muestran todas esas particiones:

Partición con pirámides equivalentes

Escena 9. Partición del cubo con pirámides triangulares equivalentes

Y en ésta los tres casos en los que hay congruencia entre todas las pirámides.

Partición con pirámides congruentes y con pirámides equivalentes

Escena 10. Partición del cubo con pirámides triangulares congruentes

  

Pero para finalizar, en lugar de cerrar el tema, quizás sea mejor dejar una pregunta abierta: "Si comparamos las anteriores veintiuna particiones del cubo ¿cuántas son congruentes a su vez entre sí?, es decir, ¿cuántas son diferentes salvo isometrías?"...

Publicado en Difusión

 

Partición de un cubo en pirámides triangulares por división de pirámides cuadradascuadarada. Caso general.

Título: Partición de un cubo en pirámides triangulares por división de pirámides cuadradas. Caso general.
Sección: Miscelánea
Bloque: Geometría
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La descomposición de un cubo en pirámides de base triangular surge de manera natural, y fácil, una vez que se han analizado las particiones de un cubo en pirámides de base cuadrada. Basta considerar una de las dos diagonales de dicha base cuadrada para que la pirámide quede partida en dos triangulares. Así pues, toda pirámide cuadrada puede subdividirse de dos formas diferentes en pirámides triangulares, sendas pirámides para sendas diagonales. No obstante, veremos que este procedimiento no conduce a la partición de cardinal mínimo, siendo necesario abordar un planteamiento constructivo independiente para lograrla. Este nuevo esquema nos conducirá a particiones que catalogaremos como no prismáticas o primásticas. Estas últimas serán objeto de un análisis específico en un tercer artículo relativo a este tema.

Particiones de un cubo en pirámides de base triangular 

1. Partición mediante descomposición de pirámides de base cuadrada

Si consideramos las diferentes particiones del cubo en pirámides cuadradas obtenidas en el artículo anterior entonces, automáticamente, son conocidas sendas particiones en pirámides triangulares sin más que considerar cada una de las dos diagonales del cuadrado que constituye la base en cada pirámide. Además, las dos subpirámides obtenidas serán equivalentes (con igual volumen), pues la base inicial cuadrada ha quedado dividida en dos partes iguales y la altura es común a ambas y, por tanto, el volumen de cada una de esas pirámides triangulares es la mitad del volumen inicial. En este contexto tendríamos las siguientes situaciones: 

  • Considerando la partición mínima del cubo en tres pirámides cuadradas obtendríamos una subpartición en seis pirámides triangulares equivalentes. Dado que cada una de esas pirámides cuadradas pueden dividirse de dos formas diferentes, según cual sea la diagonal del cuadrado que se considere, tendríamos a su vez varias posibilidades:
    • Si la diagonal que se considera conduce a dividir la pirámides cuadradas por su plano de simetría, entonces las seis pirámides son congruentes ya que hay tres coincidentes entre sí mediante traslación y giro (lo que de manera simplificada se suele indicar como iguales) y las otras tres son simétricas de las primeras ―denotaremos a una de las pirámides como tipo X1 y a su simétrica como X2―. la partición sería {X1, X2, X1, X2, X1, X2}  Este caso es el que usualmente puede encontrarse en las fuentes literarias clásicas y en la Web. Veremos que es una situación particular del estudio global, que abordaremos en otro articulo, correspondiente a lo que denominaremos particiones prismáticas porque agrupando esas pirámides de tres en tres el cubo queda descompuesto en dos prismas triangulares.
      Descomposición prismática del cubo en seis pirámides triangulares congruentes

      Escena 1. Partición prismática del cubo en seis pirámides triangulares congruentes
      (Haz clic en la imagen para acceder al recurso interactivo)


      Este proceso de división podría repetirse considerando la mediana de las nuevas bases y así obtendríamos una partición con doce pirámides equivalentes y dos familias de 6 pirámides congruentes entres sí; y con una nueva fracción por la mediana serían 24 pirámides equivalentes y 4 familias congruentes y, en general 3·2n pirámides equivalentes y 2n-1 familias de pirámides congruentes entre sí. Un entretenimiento teórico bonito, pero que físicamente su traslación a un contexto manipulativo rápidamente no es viable.

    • Si se considera la diagonal perpendicular al plano de simetría, cada pirámide cuadrada queda divida en dos pirámides equivalentes. La partición cuenta con dos tipos de pirámides que denotaremos como tipo Y (la que cuenta con un triedro trirrectángulo) y la otra que nombraremos tipo Z. La partición es {Y, Z, Y, Z, Y, Z}. Esta partición, a diferencia del caso anterior no es prismática.

      Partición no prismática de un cubo en seis pirámides triangulares equivalentes

      Escena  2. Partición no prismática del cubo en seis pirámides triangulares equivalentes

    • Si se combinan las dos posibilidades anteriores se obtienen siempre seis pirámides equivalentes y habría dos posibilidades: {X1, X2, X1, X2, Y, Z} o {X1, Y, Z, X2, Y, Z}, siendo ambas también particiones prismáticas.
  • Análogamente, en el caso de hacer tambien sólo una subdivisión por cada pirámide cuadrada, la partición en cuatro pirámides cuadradas se convertiría en ocho triangulares, la de cinco en diez y la de seis en doce.

En la siguiente escena se aborda de manera general la partición del cubo en pirámides triangulares a partir de las particiones del mismo en pirámides cuadradas: 

Partición no prismática de un cubo en seis pirámides triangulares equivalentes

Escena  3. Partición del cubo en pirámides triangulares por división de pirámides cuadradas. Caso general.

Todas las situaciones anteriores son, o pueden considerarse, interesantes y conducentes a puzles de cierta dificultad tanto en los casos en los que se busca la máxima congruencia o regularidad, como en la posición contraria. Pero ninguna de ellas conduce a la partición con cardinal mínimo, pues el planteamiento realizado viene condicionado por la partición previa en pirámides de base cuadrada. La partición mínima, como veremos en la próxima sección, se corresponde con cinco pirámides y salvo isometrías hay una única posibilidad para su construcción. Por ello, nuestro centro de interés se focalizará en la antes citada descomposición prismática del cubo en seis pirámides triangulares equivalentes, que sin ser el caso único de cardinal mínimo sí que genera una variedad de situaciones que nos proponemos cuantificar y detallar.

2. Partición mediante construcción específica

En esta sección partiendo de un cubo de vértices {A, B, C, D, E, F, G, H}, nos planteamos realizar una partición del mismo en pirámides triangulares buscando, por un lado, que la descomposición tenga cardinal mínimo y, por otro, buscando alternativas en las que sin ser de cardinal minimo se encuentren congruencias o equivalencias.

Dado que las pirámides triangulares son poliedros convexos con cuatro caras triangulares (es decir tetraedros) y cuatro vértices, en la planificación de esta partición han de tenerse en consideración las siguientes observaciones:

  • Las caras del cubo han de dividirse en triángulos y, por tanto, se parte de un mínimo de 12 triángulos (2 por cada cara del cubo) y 18 segmentos (las doce aristas del cubo, más seis diagonales necesarias para partir cada una de las seis caras del cubo), que junto a los ocho vértices constituyen los elementos primarios a partir de los cuales se han de construir las pirámides de la partición.
    Elementos primarios para la partición

    Escena 4. Una posible elección de los elementos primarios para realizar la partición 

  • El menor número de pirámides se obtiene cuando se consideran exclusivamente los elementos primarios citados. La introducción de cualquier vértice o segmento adicional generará un mayor número de combinaciones posibles, un mayor número de pirámides.
  • Dos pirámides de la partición pueden compartir como máximo tres vértices, una cara. O lo que es equivalente han de tener tres caras diferentes.
  • Una pirámide triangular de la partición queda determinada sin más que elegir dos segmentos con distinta dirección no coplanarios.
    Dos segmentos con diferente dirección no coplanarios

    Escena 5. Pirámide triangular determinada por dos segmentos con distinta dirección no coplanarios 

  • Cuando todas las diagonales correspondientes a las caras opuestas tienen distinta dirección las particiones en pirámides triangulares tienen más de seis pirámides, salvo:
    • Una partición con cinco elementos, que es la de cardenal mínimo, formada por cuatro pirámides trirrectángulas y un tetraedro regular.
      Partición de un cubo en cinco pirámides triangulares

      Escena 6. División del cubo en cinco prismas triangulares

    • Una partición con seis elementos, que es la partición no prismática indicada antes en la escena 2 y compuesta por las pirámides  {Y, Z, Y, Z, Y, Z}.
  • Cuando al menos un par de las diagonales correspondientes a caras opuestas tienen la misma dirección, entonces ese par junto a las dos aristas que son perpendiculares a ellas, forman un rectángulo y la partición en pirámides triangulares es posible sólo si se introduce al menos un segmento que bien subdivida ese rectángulo en dos triángulos o bien que lo corte. Al introducirse en la partición un nuevo elemento primario no puede obtenerse la partición de cardinal mínimo. 
    Segmentos coplanarios

    Escena 7. Diagonales coplanarias 


    Ese segmento adicional puede ser:
    • Una diagonal del cubo. Aquí la obtención de una partición obliga a incluir nuevos elementos primarios, puntos y segmentos, y  consecuentemente se incrementa el número de pirámides obtenidas.
    • La diagonal de ese rectángulo. En este caso el cubo queda dividido en dos prismas triangulares rectos con bases que son triángulos rectángulos isósceles. En esta situación diremos que la partición del cubo es prismática y veremos que conduce a un mínimo de seis pirámides triangulares; y en el caso de ser exactamente seis se cumple que siempre son equivalentes, es decir, que tienen igual volumen.
      Descomposición cubo en dos prismas triangulares

      Escena 8. División del cubo en dos prismas triangulares 

Así pues, nuestro análisis nos conduce a plantearnos la partición del cubo a través de la descomposición de un prisma triangular en pirámides triangulares. Éste puede ser un buen tema para detallar en un próximo artículo, y ello es mi propósito, confiando en que habrá colegas interesados en seguir comprobando como algo que parece tan simple, la descomposición de un cubo, no lo es tanto y aporta mucho juego, interés, conocimiento y belleza matemática. Por aquí ¡os espero pronto! 

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Partición no prismática de un cubo en seis pirámides triangulares equivalentes

Título: Partición no prismática de un cubo en seis pirámides triangulares equivalentes
Sección: Miscelánea
Bloque: Geometría
Unidad: Geometría tridimensional
Nivel/Edad: A partir de 2º ESO (13 años o más)
Idioma: Castellano
Autoría: José R. Galo Sánchez

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Subproyecto Misceláneas.


El subproyecto Misceláneas está de enhorabuena, que se recuerde, pocas veces, en tan poco tiempo, un grupo tan reducido de personas ha aportado tanta cantidad de objetos de tan elevada calidad y tan alto potencial educativo a cualquiera de los subproyectos de la Red Descartes. Y no es la intención desmerecer al resto, muy al contrario; si no la de dar merecida notificación de un hito tan memorable. La excepcionalidad se justifica a si misma nada más visualizar cualesquiera de las últimas escenas incorporadas al subproyecto, lo que ya ha sido posible gracias a las reseñas que tanto José R. Galo Sánchez como Ángel Cabezudo Bueno han expuesto recientemente en el apartado Últimos materiales del blog y al artículo que el primero de ellos acaba de publicar, también en este blog, donde justifica el proceso de creación, creando a su vez nuevas escenas relacionadas con el tema de proporcionar una ayuda inestimable a la capacidad de visualización de las transformaciones dinámicas en el espacio tridimensional. Por otro lado la buena salud del subproyecto también se debe a la infatigable tarea de adaptación de materiales obsoletos, al nuevo editor DescartesJS, de las profesoras Elena E. Álvarez Sáiz y María José García Cebrian, los profesores ya mencionados y otros/as que aunque no se indican están en la mente de todos los usuarios del portal. Relativo a las aportaciones más recientes caben destacar:

De las que destacamos:

joyeríamezclas
Matemáticas, joyería y mezclas. 

En esta ocasión, en la sección de vídeo, hemos elegido uno que muestra una presentación de los cuerpos platónicos diferente a lo habitual.



Ildefonso Fernández Trujillo. 2018

 

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