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所述 n-球,表示為 B^n,是一個 球面 S^(n-1) 的內部,有時也稱為 n-。(雖然物理學家經常使用術語“球面”來表示實心球,但數學家肯定不會這樣用!)

半徑為 r,中心位於點 {x,y,z} 的球在 Wolfram 語言 中實現為[{x, y, z}, r]。

BallVolume

n 維單位 超球面 S^n 的表面積方程給出了 遞推關係

 S_(n+2)=(2piS_n)/n.
(1)

使用 Gamma(n+1)=nGamma(n) 然後給出半徑為 Rn-球 B^n 的超體積為

 V_n=(S_nR^n)/n=(pi^(n/2)R^n)/((1/2n)Gamma(1/2n))=(pi^(n/2)R^n)/(Gamma(1+1/2n))
(2)

(Sommerville 1958, p. 136; Apostol 1974, p. 430; Conway and Sloane 1993)。 奇怪的是,當 n 增加時,體積 達到 最大值,然後向 0 減小。單位 n-球的 最大 體積 的點滿足

(dV_n)/(dn)=(pi^(n/2)[lnpi-psi_0(1+1/2n)])/(2Gamma(1+1/2n))
(3)
=(pi^(n/2)[gamma+lnpi-H_(n/2)])/(nGamma(1/2n))
(4)
=0,
(5)

其中 psi_0(x)雙伽瑪函式Gamma(z)伽瑪函式gamma尤拉-馬歇羅尼常數,而 H_n調和數。這個方程無法解析地求解 n,但數值解為

 gamma+lnpi-H_(n/2)=0
(6)

n=5.25694... (OEIS A074455) (Wells 1986, p. 67)。因此,五維 單位球 B^5 具有 最大 體積 (Le Lionnais 1983; Wells 1986, p. 60)。

下表給出了單位半徑 n-球的 體積 (OEIS A072345A072346),n-球的體積與外接 超立方體 的體積之比 (OEIS A087299),以及 n-球的表面積 (OEIS A072478A072479)。

nV_nV_(ball)/V_(cube)S_n
0110
1212
2pi1/4pi2pi
34/3pi1/6pi4pi
41/2pi^21/(32)pi^22pi^2
58/(15)pi^21/(60)pi^28/3pi^2
61/6pi^31/(384)pi^3pi^3
7(16)/(105)pi^31/(840)pi^3(16)/(15)pi^3
81/(24)pi^41/(6144)pi^41/3pi^4
9(32)/(945)pi^41/(15120)pi^4(32)/(105)pi^4
101/(120)pi^51/(122880)pi^51/(12)pi^5

V_n 表示 半徑Rn 維球的體積。那麼

sum_(n=0,2,4,...)^(infty)V_n=e^(piR^2)
(7)
sum_(n=1,3,5,...)^(infty)V_n=e^(piR^2)erf(sqrt(pi)R),
(8)

因此

 sum_(n=0)^inftyV_n=e^(piR^2)[1+erf(Rsqrt(pi))],
(9)

其中 erf(x)誤差函式 (Freden 1993)。


另請參閱

亞歷山大帶角球, 球體線段拾取, 球體點拾取, 球體四面體拾取, 球體三角形拾取, 巴拿赫-塔斯基悖論, 賓氏定理, 畢夏普不等式, 有界集, 閉球, , 毛球定理, 超球面, 開球, 球面, 網球定理, 單位球, 野點

使用 探索

參考文獻

Apostol, T. M. 數學分析。 Reading, MA: Addison-Wesley, 1974.Conway, J. H. 和 Sloane, N. J. A. 球體堆積、格點和群,第二版。 New York: Springer-Verlag, p. 9, 1993.Freden, E. "問題 10207:級數體積求和。" Amer. Math. Monthly 100, 882, 1993.Le Lionnais, F. 卓越數。 Paris: Hermann, p. 58, 1983.Sloane, N. J. A. 序列 A072345, A072346, A072478, A072479, A074455, 和 A087299 在 "整數序列線上百科全書" 中。Sommerville, D. M. Y. n 維幾何導論。 New York: Dover, p. 136, 1958.Wells, D. 企鵝好奇與趣味數字詞典。 Middlesex, England: Penguin Books, 1986.

請引用為

Weisstein, Eric W. "球。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Ball.html

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