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球體-球體相交


SphereSphereInterGraphic
SphereSphereIntersection

設兩個球體的半徑 Rr 沿 x 定位,中心分別位於 (0,0,0)(d,0,0)。不足為奇的是,該分析與 圓-圓相交 的情況非常相似。兩個球體的方程為

x^2+y^2+z^2=R^2
(1)
(x-d)^2+y^2+z^2=r^2.
(2)

結合 (1) 和 (2) 得到

 (x-d)^2+(R^2-x^2)=r^2.
(3)

兩邊同乘並重新排列得到

 x^2-2dx+d^2-x^2=r^2-R^2.
(4)

求解 x 得到

 x=(d^2-r^2+R^2)/(2d).
(5)

球體的交集因此是一條曲線,位於平行於 yz 平面的 平面 上,且具有單個 x 座標。將其代回 (◇) 得到

y^2+z^2=R^2-x^2=R^2-((d^2-r^2+R^2)/(2d))^2
(6)
=(4d^2R^2-(d^2-r^2+R^2)^2)/(4d^2),
(7)

這是一個半徑

a=1/(2d)sqrt(4d^2R^2-(d^2-r^2+R^2)^2)
(8)
=1/(2d)[(-d+r-R)(-d-r+R)(-d+r+R)(d+r+R)]^(1/2).
(9)

可以透過將兩個球冠相加來找到兩個球體共有的三維透鏡體積球體中心到球冠底部的距離為

d_1=x
(10)
d_2=d-x,
(11)

因此球冠的高度為

h_1=R-d_1=((r-R+d)(r+R-d))/(2d)
(12)
h_2=r-d_2=((R-r+d)(R+r-d))/(2d).
(13)

對於半徑R^'球體,高度為 h^'球冠體積

 V(R^',h^')=1/3pih^('2)(3R^'-h^').
(14)

R_1=RR_2=r 並將兩個球冠相加得到

V=V(R_1,h_1)+V(R_2,h_2)
(15)
=(pi(R+r-d)^2(d^2+2dr-3r^2+2dR+6rR-3R^2))/(12d).
(16)

d=r+R 時,此表示式給出 V=0,這是必然的。在特殊情況 r=R 下,體積簡化為

 V=1/(12)pi(4R+d)(2R-d)^2.
(17)

為了使兩個相等球體的重疊部分等於每個球體體積的一半,球體必須分隔開一定的距離

d=(x^3-12x+8)_2
(18)
=2sqrt(3)sin(2/9pi)-2cos(2/9pi)
(19)
=0.694592710...
(20)

(OEIS A133749) 乘以它們的半徑,其中 (P(x))_n 是一個多項式根

球體 R 位於球體 r 內部的表面積等於球體 r大圓,前提是 r<=2R (Kern and Blank 1948, p. 97)。


參見

蘋果表面, 圓-圓相交, 圓柱體-球體相交, 雙氣泡, 透鏡, 勒洛四面體, 球體空間劃分, 球體

使用 探索

參考文獻

Kern, W. F. and Bland, J. R. Solid Mensuration with Proofs, 2nd ed. New York: Wiley, p. 97, 1948.Sloane, N. J. A. Sequence A133749 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

在 上被引用

球體-球體相交

引用為

Weisstein, Eric W. "球體-球體相交。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Sphere-SphereIntersection.html

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