0
EN
1
المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

قم بتسجيل الدخول اولاً لكي يتسنى لك الاعجاب والتعليق.

Hypersphere

المؤلف:  Collins, G. P.

المصدر:  "The Shapes of Space." Sci. Amer. 291

الجزء والصفحة:  ...

20-4-2020

3022

+

-

20

Hypersphere 

The n-hypersphere (often simply called the n-sphere) is a generalization of the circle (called by geometers the 2-sphere) and usual sphere (called by geometers the 3-sphere) to dimensions n>=4. The n-sphere is therefore defined (again, to a geometer; see below) as the set of n-tuples of points (x_1x_2, ..., x_n) such that

 x_1^2+x_2^2+...+x_n^2=R^2,

(1)

where R is the radius of the hypersphere.

Unfortunately, geometers and topologists adopt incompatible conventions for the meaning of "n-sphere," with geometers referring to the number of coordinates in the underlying space ("thus a two-dimensional sphere is a circle," Coxeter 1973, p. 125) and topologists referring to the dimension of the surface itself ("the n-dimensional sphere S^n is defined to be the set of all points x=(x_1,x_2,...,x_(n+1)) in E^(n+1) satisfying x_1^2+...+x_(n+1)^2=1," Hocking and Young 1988, p. 17; "the (n-1)-sphere S^(n-1) is <span style={x in R^n|d(x,0)=1}" src="https://mathworld.wolfram.com/images/equations/Hypersphere/Inline18.gif" style="height:18px; width:121px" />," Maunder 1997, p. 21). A geometer would therefore regard the object described by

 x_1^2+x_2^2=R^2

(2)

as a 2-sphere, while a topologist would consider it a 1-sphere and denote it S^1. Similarly, a geometer would regard the object described by

 x_1^2+x_2^2+x_3^2=R^2

(3)

as a 3-sphere, while a topologist would call it a 2-sphere and denote it S^2. Extreme caution is therefore advised when consulting the literature. Following the literature, both conventions are used in this work, depending on context, which is stated explicitly wherever it might be ambiguous.

Let V_n denote the content (i.e., n-dimensional volume) of an n-hypersphere (in the geometer's sense) of radius R is given by

 V_n=int_0^RS_nr^(n-1)dr=(S_nR^n)/n,

(4)

where S_n is the hyper-surface area of an n-sphere of unit radius. A unit hypersphere must satisfy

S_nint_0^inftye^(-r^2)r^(n-1)dr = int_(-infty)^infty...int_(-infty)^infty_()_(n)e^(-(x_1^2+...+x_n^2))dx_1...dx_m

(5)

= (int_(-infty)^inftye^(-x^2)dx)^n.

(6)

But the gamma function can be defined by

 Gamma(m)=2int_0^inftye^(-r^2)r^(2m-1)dr,

(7)

so

 1/2S_nGamma(1/2n)=[Gamma(1/2)]^n=(pi^(1/2))^n

(8)

 S_n=(2pi^(n/2))/(Gamma(1/2n)).

(9)

Special forms of Gamma(1/2n) for n an integer allow the above expression to be written as

 S_n=<span style={(2^((n+1)/2)pi^((n-1)/2))/((n-2)!!) for n odd; (2pi^(n/2))/((1/2n-1)!) for n even, " src="https://mathworld.wolfram.com/images/equations/Hypersphere/NumberedEquation8.gif" style="height:98px; width:202px" />

(10)

where n! is a factorial and n!! is a double factorial (OEIS A072478 and A072479).

HypersphereArea

Strangely enough, for the unit hypersphere, the hyper-surface area reaches a maximum and then decreases towards 0 as n increases. The point of maximal hyper-surface area satisfies

 (dS_n)/(dn)=(pi^(n/2)[lnpi-psi_0(1/2n)])/(Gamma(1/2n))=0,

(11)

where psi_0(x)=Psi(x) is the digamma function. This cannot be solved analytically for n, but the numerical solution is n=7.25695... (OEIS A074457; Wells 1986, p. 67). As a result, the seven-dimensional unit hypersphere has maximum hyper-surface area (Le Lionnais 1983; Wells 1986, p. 60).

In four dimensions, the generalization of spherical coordinates is given by

x_1 = Rsinpsisinphicostheta

(12)

x_2 = Rsinpsisinphisintheta

(13)

x_3 = Rsinpsicosphi

(14)

x_4 = Rcospsi.

(15)

The equation for the 3-sphere S^3 is therefore

 x_1^2+x_2^2+x_3^2+x_4^2=R^2,

(16)

and the line element is

 ds^2=R^2[dpsi^2+sin^2psi(dphi^2+sin^2phidtheta^2)].

(17)

By defining r=Rsinpsi, the line element can be rewritten

 ds^2=(dr^2)/((1-(r^2)/(R^2)))+r^2(dphi^2+sin^2phidtheta^2).

(18)

The hyper-surface area is therefore given by

S_3 = int_0^piRdpsiint_0^piRsinpsidphiint_0^(2pi)Rsinpsisinphidtheta

(19)

= 2pi^2R^3.

(20)


REFERENCES:

Collins, G. P. "The Shapes of Space." Sci. Amer. 291, 94-103, July 2004.

Conway, J. H. and Sloane, N. J. A. Sphere Packings, Lattices, and Groups, 2nd ed. New York: Springer-Verlag, p. 9, 1993.

Coxeter, H. S. M. Regular Polytopes, 3rd ed. New York: Dover, 1973.

Hocking, J. G. and Young, G. S. Topology. New York: Dover, 1988.

Le Lionnais, F. Les nombres remarquables. Paris: Hermann, p. 58, 1983.

Maunder, C. M. C. Algebraic Topology. New York: Dover, 1997.

Peterson, I. The Mathematical Tourist: Snapshots of Modern Mathematics. New York: W. H. Freeman, pp. 96-101, 1988.

Sloane, N. J. A. Sequences A072478, A072479, and A074457 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

Sommerville, D. M. Y. An Introduction to the Geometry of n Dimensions. New York: Dover, p. 136, 1958.

Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Numbers. Middlesex, England: Penguin Books, 1986.

اخر الاخبار

اشترك بقناتنا على التلجرام ليصلك كل ما هو جديد