球面

球面 。就像在二維空間中的圓的定義一樣，球面在數學上定義為三維空間中離給定的點距離相同的點的集合 "r" 的所有點構成的幾何體，而這個給定點就是球心。球的半徑和球心也是球面的半徑和中心。兩端都在球面上的最長線段透過球心，其長度是其半徑的兩倍；它是球面和球體的直徑 。儘管在數學之外，術語“球面”和“球”有時可互換使用，但在數學中是明確區分的："球面"是一種嵌在三維歐幾里得空間內的二維封閉曲面，而"球"是一種三維圖形，其包括球面和球面"內部"的一切的情況類似。三維空間中的方程.在解析幾何中，球心為 ("x", "y", "z") 的軌跡formula_1令 "a" ≠ 0，並且formula_2如果 formula_3，則那麼下面的方程formula_4沒有實數根，稱為虛球面的方程。如果 formula_5，則 formula_6 的唯一解是點 formula_7，此時該方程稱作點球面的方程。還有一種，就是在 formula_8 的情況下，formula_6 是球面的方程，其中心是formula_10，半徑是formula_11。如果上述等式中的 "f"("x", "y", "z") = 0 就成為了平面方程。因此，平面可以認為是球心在無窮遠點的球面。半徑 formula_12，中心在 formula_13 的球面上的點可以寫成引數方程formula_14以原點為中心的任意半徑的球面是以下微分形式的積分曲面：formula_15這個方程反映了在球面上行進的點的位置 ("dx", "dy", "dz") 總是彼此正交的。球面還可以透過以任何直徑為軸，把圓旋轉一週形成的表面來構造。由於圓是一種特殊的橢圓 ，所以球面也是一種特殊的橢球面。橢圓圍繞其長軸旋轉形成的曲面，就是長球面；如果繞短軸旋轉，就會形成一個扁球面。包圍的體積.在三維中，球面內包圍的體積 是formula_16其中 r，以原點為球心。在任何給定的 Δx）的乘積：formula_17當最厚的那一個圓盤厚度趨近0時，總體積是所有增量的總和：formula_18其中 ||T 時，最厚的那個圓盤的厚度。此時體積為：formula_19在任何給定的 r 都可以構成一個直角三角形；因此，應用勾股定理得出：formula_20將上式代入得到formula_21積分之後就可以得出結果formula_22另外，此公式也可以用球座標系計算，體積元可以寫成formula_23因此得到三重積分，並算出結果如下：formula_24對於大多數實際用途而言，立方體的內接球的體積可以近似為立方體體積的52.4％，這是因為 d 是球面的直徑，也是立方體的邊長， ≈ 0.5236。例如，直徑1m的球的體積是邊長為1m的立方體體積的52.4％，或約0.524 m3。表面積.半徑為r的球體的表面積為：formula_25阿基米德首先根據“外接圓柱體側面的投影是保持面積的”這個事實推匯出這個公式。 另一種得到這個公式的方法基於如下事實，即球的表面積等於其體積公式關於 r 處的表面積與無窮小厚度的乘積。在任何給定半徑 Δr）的乘積：formula_26總體積是所有球殼體積的總和：formula_27該等式在最厚的那一個圓盤的 Δr 趨近於 0 時為：formula_28代入 V：formula_29將等式兩邊對 r 的函式：formula_30這通常寫為：formula_31其中 r 是球面的半徑。再來看一種方法，球面上的面積元可以用球座標系給出："dA" = "r"2 sin "φ dθ dφ"。用笛卡爾座標來表示的話，面積元就會寫成formula_32更一般性的表達，請積元條目。因此總面積可以透過積分得到：formula_33球面是包圍給定體積的所有曲面中面積最小的，球面還是給定表面積的所有閉合曲面中包圍體積最大的。因此球面在自然界中出現：例如，氣泡和小水滴大致為球形，因為表面張力會區域性最小化表面積。球的質量與表面積之比稱為比表面積，可以由上述等式表示出來formula_34其中 ρ 為密度。幾何性質.球面由四個不共面的點唯一確定。更一般地說，球面由四個條件唯一確定，例如透過一個點、與一個平面相切，等等。 該性質類似於三個非共線的點確定平面中的唯一圓的性質。因此，一個球體由一個圓和一個不在該圓平面內的點唯一確定。透過檢查兩個球面方程的共同解，可以看出兩個球相交於一個圓，包含該圓的平面稱作相交球的基本平面 。 雖然基本平面是一個實平面，但這個圓可能是虛圓。在實交點處的兩個球面之間的夾角是由該點處的球體的切面確定的二面角。兩個球面在相交圓的所有點處的夾角都是相同的。 當且僅當它們的球心之間的距離的平方等於其半徑的平方和時，它們的交角才是直角。球面束.如果 "g"("x", "y", "z") = 0 是兩個不同球面的方程，那麼formula_35當引數 t 是任意值時，也是球面方程。滿足該等式的所有球體的集合稱為由原始兩個球體確定的球面束。在這個定義中，允許球面是一個平面。如果球面束不是由所有平面組成，那麼有三種類型的束：所有從基本平面的固定點到球面束的一個球面的切線的長度都是相同的。基本平面是與球面束中所有球面正交的所有球面的中心的軌跡。而且，與球體束的任何兩個球體正交的球體，與球面束的所有球面正交，並且其中心位於球面束的基本平面中。術語.穿過球心的一條直線與球面相交，這兩個相對稱的交點稱為對徑點。大圓是球面上的一個圓，與球面具有相同的中心和半徑，大圓所在的平面能將球面分成兩個相同的部分。球面的截面稱為圓面截口。圓面截口均為圓，除了大圓以外的其他圓稱為小圓。球面上兩個不同非對徑點之間的最短距離是過這兩個點的唯一大圓上的兩個圓弧中劣弧的長度。有了這個“大圓距離”，大圓就成為了黎曼圓。若將球面上任意一點設為該球面的"北極"，與該點相對應的對徑點則被稱為"南極"，而赤道則是與這兩個極點等距的大圓。 過這兩個極點的大圓被稱為子午線或經線，過這兩個極點的直線被稱為旋轉軸。而緯度則是球面上與赤道平行的圓。這個術語也同樣適用於那些與地球表面一樣近似於球面的天體 。半球面.任何過球心的平面都把它分成兩個相等的半球面。過球心的任何兩個相交平面都將球體細分為四個球面二角形，其頂點全部與位於平面交線上的對徑點重合。球體的對徑商空間是實射影平面，它也可以被看作是北半球，赤道的對映點被確定。有猜想認為半球是黎曼圓的最佳等長填充。推廣.維數.球面可以推廣到任意維數的空間。對於任意自然數r與前面一樣是正實數。特別地：以原點為中心的單位半徑n球面”。請注意，普通球面是一個2-球面，因為它是一個二維曲面。單位("n"-1)-球面的表面積是formula_36其中Γ("z")是尤拉發現的伽馬函式 。表面積的另一種表示式為formula_37體積等於表面積乘以，或者說formula_38對於n球的體積也存在一般遞迴公式。度量空間.更一般地，在度量空間 y的集合。如果球心是位於E的原點的話，定義和符號中沒有提及它。如果等於1，則半徑也是如此，例如單位球體的情況。與球體不同的是，即使是一個大球面也可能是一個空集。例如，在歐幾里德度量 "r"的球面才是非空的。拓撲學.在拓撲學中，n球體同胚 ，但可能缺少其度量 。海涅－博雷爾定理表明歐幾里德"Sn"也是有界的；所以它是緊緻的。值得注意的是，在三維空間中是可以把普通的球面內外翻轉過來的，這個過程稱作球面外翻，過程中可能會發生自交，但不會產生任何摺痕。球面幾何.歐幾里得平面幾何的基本要素是點和線。在球面上，點以通常的意義來定義。“線”的類似物是測地線，測地線是一個大圈；大圓的界定性特徵是含有其所有點的平面也穿過球心。弧長測量表明，球面上兩點之間的最短路徑是過這兩點的大圓的較短的那一段圓弧。經典幾何的許多定理也適用於球面幾何，但並非所有的定理都是這樣，因為球面不能滿足一些經典幾何的假設，包括平行假設。在球面三角學中，角是在大圓之間定義的。球面三角學在許多方面與普通的三角學不同。例如，球形三角形的內角之和總是超過180度。而且，任何兩個相似的球面三角形都是全等的。球面的十一種性質.在David Hilbert和Stephan Cohn-Vossen的著作《幾何與想象》 一書中，統一描述了球面的11種性質，並討論了這些性質是否僅僅存在於確定球面之中。一些性質對於平面來說也是成立的，因為平面可以視作半徑無限大的球面。這些性質為：。圓柱體是唯一具有雙引數系列剛性運動的表面，並且旋轉表面和螺旋麵是具有單引數系列的表面。