超球面和超球體


\(n\)維超立方體的體積很簡單,即邊\(s\)\(n\)次方:\(s^n\)

\(n\)維超球的體積又是怎么樣的呢?

首先,我們定義一些概念。圓周是2維圓盤的1維邊界(界限)。球面是3維球體的2維表面(界限)。超球面(n維球面)和超球(n維球體)可以有不同的維數。普通的球面是2維球面。普通球體是3維球體。圓周也可以被稱為1維球面。圓盤也可以被叫作2維球體。

\(n\)維容量是幾何形體的\(n\)維“體積”。比如:

圓周的1維容量是它的周長,圓盤的2維容量是它的面積,

球面(2維)的2維容量是它的表面積,球體(3維)的3維容量是它的體積,

3維超球面的3維容量是它的超表面積,4維超球體的4維容量是它的4維超體積。

下面的表格顯示出不同維度的超球體的\(n\)維容量(體積)和它們對應的超球面的邊界(\(n-1\)維)容量(超表面積):

維度 整體形 整體形n維容量(“體積”) 邊界形 邊界形n-1維容量(“表面積”)
2 圓盤 (2維) πr 2 圓周 (1維) 2πr
3 球體 (3維) (4/3)π r 3 球面 (2維) 4π r2
4 4維超球體 (1/2)π2r4 3維超球面 2r3
5 5維超球體 (8/15)π2r5 4維超球面 (8/3)π2r4
6 6維超球體 (1/6)π3r6 5維超球面 π3r5
7 7維超球體 (16/105)π3r7 6維超球面 (16/15)π3r6
一般的,$n$維超球體的$n$維容量(“體積”)是: $n$為偶數:

\[\frac{1}{(n/2)!}\pi^{n/2}r^n \]

\(n\)為奇數:

\[\frac{2^n((n-1)/2)!}{n!}\pi^{(n-1)/2}r^n \quad \text{或}\quad \frac{2^{(n+1)/2}}{n!!}\pi^{(n-1)/2}r^n \]

這里\(n! = n(n-1)(n-2)\cdots\)(階乘),\(n!! = n(n-2)(n-4)\cdots\)(雙階乘)。

一般的,\(n\)維超球體的邊界表面積(\(n-1\)維容量)等於“體積”(\(n\)維容量)乘以(\(n/r\))。其實你可以通過\(n\)維超球的“體積”(\(n\)維容量)對半徑求導數得到它的超表面積(\(n-1\)維容量)。同樣對\(n\)維超球對應的邊界形的表面積(\(n-1\)維容量)對\(r\)在(\(0,r\))上求積分可以得到\(n\)維超球的體積。


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