超球面和超球体

(n)维超立方体的体积很简单,即边(s)(n)次方:(s^n)

(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 2r3
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
一般的,$n$维超球体的$n$维容量(“体积”)是: $n$为偶数:

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

(n)为奇数:

[frac{2^n((n-1)/2)!}{n!}pi^{(n-1)/2}r^n quad ext{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。

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