求證n維球體積 |
送交者: tda 2014年05月20日17:52:08 於 [靈機一動] 發送悄悄話 |
求證n維球體積:
V2k=(pi^k/k!)R^2k (1) V2k+1=[2k!(4pi)^k/(2k+1)!]R^(2k+1) (2) 我們已經知道,當n=2,3時,V2,V3分別是圓和三維球。它們的體積公式都滿足上式。 先假設當n=2k時(1)正確。 2k+1的球方程是 x0^2+x1^2+x2^+ ... + x2k^2 <= R 用x=x0的平面去截,其截痕是 x1^2+x2^+ ... + x2k^2 <= R^2 - x0^2 這是一個半徑為sqrt(R^2-x0^2)的2k維球。這個點集的體積是 (pi^k/k!)(R^2-x0^2)k 2k+1維球的體積是 V2k+1 = Int(-R,R)[(pi^k/k!)(R^2-x0^2)k]dx0 用 x0 = R*sin(a)代換,得到 V2k+1 = R^(2k+1)(pi^k/k!)Int(-pi/2,pi/2)[cos^(2k)(a)]da = R^(2k+1)(pi^k/k!)[2k/(2k+1)][(2k-2)/(2k-1)]...[2/3](2) = [2k!(4pi)^k/(2k+1)!]R^(2k+1) [註明:上式用到 2k(2k-2)...2=2^k k!和 2^k k!(2k+1)(2k-1)..(3)=(k+1)!] V2k+1 = [2k!(4pi)^k/(2k+1)!]R^(2k+1) 結果和(2)一樣。 再假設當n=2k+1時(2)正確。 2k+2的球方程是 x0^2+x1^2+x2^+ ... + x2k+1^2 <= R 用x=x0的平面去截,其截痕是 x1^2+x2^+ ... + x2k+1^2 <= R^2 - x0^2 這是一個半徑為sqrt(R^2-x0^2)的2k+1維球。這個點集的體積是 [2k!(4pi)^k/(2k+1)!]sqrt(R^2-x0^2)^(2k+1) V2k+2 = Int(-R,R)[[2k!(4pi)^k/(2k+1)!]sqrt(R^2-x0^2)^(2k+1)]dx0 用 x0 = R*sin(a)代換,得到 V2k+2 = R^(2k+2)[2k!(4pi)^k/(2k+1)!]Int(-pi/2,pi/2)[cos^(2k+2)(a)]da = R^(2k+2)[2k!(4pi)^k/(2k+1)!][(2k+1)/2k+2][(2k-1)/(2k)]...[1/2]pi = [註明:2^k k!(2k+1)(2k-1)...(3)(1) = (2k+1)!] R^(2k+2)[2^(k+1)pi^(k+1)][(2k+1)!/(2k+1)!]/(2^k+1(k+1)!) = R^(2k+2)[pi^(k+1)]/(k+1)! V2k+2 = R^(2k+2)[pi^(k+1)]/(k+1)! 結果和(1)比較,我們就證明(1),(2)。 |
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