\(n\)维超立方体的体积很简单,即边\(s\)的\(n\)次方:\(s^n\)。
那\(n\)维超球的体积又是怎么样的呢?
首先,我们定义一些概念。圆周是2维圆盘的1维边界(界限)。球面是3维球体的2维表面(界限)。超球面(n维球面)和超球(n维球体)可以有不同的维数。普通的球面是2维球面。普通球体是3维球体。圆周也可以被称为1维球面。圆盘也可以被叫作2维球体。
\(n\)维容量是几何形体的\(n\)维“体积”。比如:
圆周的1维容量是它的周长,圆盘的2维容量是它的面积,
球面(2维)的2维容量是它的表面积,球体(3维)的3维容量是它的体积,
3维超球面的3维容量是它的超表面积,4维超球体的4维容量是它的4维超体积。
下面的表格显示出不同维度的超球体的\(n\)维容量(体积)和它们对应的超球面的边界(\(n-1\)维)容量(超表面积):
维度 | 整体形 | 整体形n维容量(“体积”) | 边界形 | 边界形n-1维容量(“表面积”) |
---|---|---|---|---|
2 | 圆盘 (2维) | πr 2 | 圆周 (1维) | 2πr |
3 | 球体 (3维) | (4/3)π r 3 | 球面 (2维) | 4π r2 |
4 | 4维超球体 | (1/2)π2r4 | 3维超球面 | 2π2r3 |
5 | 5维超球体 | (8/15)π2r5 | 4维超球面 | (8/3)π2r4 |
6 | 6维超球体 | (1/6)π3r6 | 5维超球面 | π3r5 |
7 | 7维超球体 | (16/105)π3r7 | 6维超球面 | (16/15)π3r6 |
\[\frac{1}{(n/2)!}\pi^{n/2}r^n \]
当\(n\)为奇数:
\[\frac{2^n((n-1)/2)!}{n!}\pi^{(n-1)/2}r^n \quad \text{或}\quad \frac{2^{(n+1)/2}}{n!!}\pi^{(n-1)/2}r^n \]
这里\(n! = n(n-1)(n-2)\cdots\)(阶乘),\(n!! = n(n-2)(n-4)\cdots\)(双阶乘)。
一般的,\(n\)维超球体的边界表面积(\(n-1\)维容量)等于“体积”(\(n\)维容量)乘以(\(n/r\))。其实你可以通过\(n\)维超球的“体积”(\(n\)维容量)对半径求导数得到它的超表面积(\(n-1\)维容量)。同样对\(n\)维超球对应的边界形的表面积(\(n-1\)维容量)对\(r\)在(\(0,r\))上求积分可以得到\(n\)维超球的体积。