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所述 n-球,表示为 B^n,是一个 球面 S^(n-1) 的内部,有时也称为 n-。(虽然物理学家经常使用术语“球面”来表示实心球,但数学家肯定不会这样用!)

半径为 r,中心位于点 {x,y,z} 的球在 Wolfram 语言 中实现为[{x, y, z}, r]。

BallVolume

n 维单位 超球面 S^n 的表面积方程给出了 递推关系

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

使用 Gamma(n+1)=nGamma(n) 然后给出半径为 Rn-球 B^n 的超体积为

 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,当 n 增加时,体积 达到 最大值,然后向 0 减小。单位 n-球的 最大 体积 的点满足

(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)双伽玛函数Gamma(z)伽玛函数gamma欧拉-马歇罗尼常数,而 H_n调和数。这个方程无法解析地求解 n,但数值解为

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

n=5.25694... (OEIS A074455) (Wells 1986, p. 67)。因此,五维 单位球 B^5 具有 最大 体积 (Le Lionnais 1983; Wells 1986, p. 60)。

下表给出了单位半径 n-球的 体积 (OEIS A072345A072346),n-球的体积与外接 超立方体 的体积之比 (OEIS A087299),以及 n-球的表面积 (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 半径Rn 维球的体积。那么

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)误差函数 (Freden 1993)。


另请参阅

亚历山大带角球, 球体线段拾取, 球体点拾取, 球体四面体拾取, 球体三角形拾取, 巴拿赫-塔斯基悖论, 宾氏定理, 毕夏普不等式, 有界集, 闭球, , 毛球定理, 超球面, 开球, 球面, 网球定理, 单位球, 野点

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参考文献

Apostol, T. M. 数学分析。 Reading, MA: Addison-Wesley, 1974.Conway, J. H. 和 Sloane, N. J. A. 球体堆积、格点和群,第二版。 New York: Springer-Verlag, p. 9, 1993.Freden, E. "问题 10207:级数体积求和。" Amer. Math. Monthly 100, 882, 1993.Le Lionnais, F. 卓越数。 Paris: Hermann, p. 58, 1983.Sloane, N. J. A. 序列 A072345, A072346, A072478, A072479, A074455, 和 A087299 在 "整数序列在线百科全书" 中。Sommerville, D. M. Y. n 维几何导论。 New York: Dover, p. 136, 1958.Wells, D. 企鹅好奇与趣味数字词典。 Middlesex, England: Penguin Books, 1986.

请引用为

Weisstein, Eric W. "球。" 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Ball.html

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