n-Sphere & n-Ball

Wiki: n-Sphere

n-Ball的体积公式:

    \[\displaystyle V_n (R) = \frac{\pi^\frac{n}{2}}{\Gamma(\frac{n}{2} + 1)} R^n\]

偶数维体积公式:

    \[\displaystyle V_{2n} (R) = \frac{\pi^n}{n!} R^{2n}\]

奇数维体积公式:

    \[\displaystyle V_{2n+1} (R) = \frac{2^{n+1} \pi^n}{\left(2n+1\right)!!} R^{2n+1} = \frac{2^{2n+1} n! \pi^n}{\left(2n+1\right)!} R^{2n+1}\]

n-Sphere的面积公式:

    \[\displaystyle S_n=\frac{dV_{n+1}}{dR}=\frac{nV_{n+1}}{R}={2\pi^{(n+1)/2}R^{n}\over\Gamma(\frac{n+1}{2})}\]

递推公式:

    \[\displaystyle S_n= \frac{2 \pi R^2}{n-1} S_{n-2}\]

    \[\displaystyle V_n = \frac{2 \pi R^2}{n} V_{n-2}\]

递推公式的推导:

    \[\begin{array}{ll} V_n (R) &\displaystyle  = \int_{0}^{R} \int_{0}^{2\pi} V_{n-2}(\sqrt{R^2-r^2}) \, r \, d\theta \, dr \\ &\displaystyle  = \int_{0}^{R} \int_{0}^{2\pi} C_{n-2} (R^2-r^2)^{n/2-1}\, r \, d\theta \, dr \\ &\displaystyle  = 2 \pi C_{n-2} \int_{0}^{R} (R^2-r^2)^{n/2-1}\, r \, dr \\ &\displaystyle  = 2 \pi C_{n-2} \left[ -\frac{1}{n}(R^2-r^2)^{n/2} \right]^{r=R}_{r=0} \\ &\displaystyle  = 2 \pi C_{n-2} \frac{R^n}{n} = \frac{2 \pi R^2}{n} V_{n-2}(R). \end{array}\]

关系:

    \[\displaystyle V_n/S_{n-1} = R/n\]

    \[\displaystyle S_{n+1}/V_n = 2\pi R\]

一个很有趣的现象是,当n趋于无穷大的时候,单位n-Ball的体积数值随着n增大趋于0:

    \[\displaystyle \lim_{n\rightarrow\infty} V_n(1) = 0\]

这件事有点反直觉,因为感觉上单位n-Ball里面应该总是能够塞进去一个单位n-Cube,但事实上这只是我们在低维空间中总结出来的错误规律。单位n-Ball的直径永远是2,而单位n-Cube的对角线长却是

    \[\sqrt{n}\]

。n<4时单位n-Cube对角线长小于n-Ball直径,n=4时单位n-Cube对角线长等于n-Ball直径,n>4时单位n-Cube对角线长大于n-Ball直径,而且随着n增大会大得越来越多。也就是说在足够高维的空间中,单位n-Ball里面根本就无法塞入一个单位n-Cube。当然,一个单位nCube里面也不可能完全塞入一个n-Sphere,毕竟单位n-Cube两个相对表面之间的最小距离只有1,而单位n-Sphere直径却是2。

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