כדור (גאומטריה)

כדור הוא גוף גאומטרי המורכב מן הנקודות במרחב שמרחקן מנקודה קבועה הוא לכל היותר מספר חיובי קבוע מסוים, הקרוי רדיוס. כאשר רדיוס הכדור הוא 1, הכדור נקרא כדור היחידה. פני השטח של הכדור הן ספירה. כדור הוא הכללה של עיגול למרחב מממד כלשהו. לעיתים קרובות המילה כדור משמשת לכדור במרחב התלת-ממדי. כדור הכולל את שפתו (הספירה) נקרא כדור סגור. כדור ללא שפתו נקרא כדור פתוח. לערך העוסק בפנים של הספירה במרחב מטרי כלשהו, ראו כדור (טופולוגיה). במרחב האוקלידי התלת-ממדי R 3 {\displaystyle \mathbb {R} ^{3}} , אורך של וקטור x → = ( x , y , z ) ∈ R 3 {\displaystyle {\vec {x}}=(x,y,z)\in \mathbb {R} ^{3}} נתון על ידי הנורמה הבאה: ‖ x ‖ = x 2 + y 2 + z 2 {\displaystyle \!\,\|x\|={\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}}} ולכן מההגדרה של הכדור הסגור, נובע שהמשוואה המגדירה את הכדור הסגור סביב המרכז 0 → = ( 0 , 0 , 0 ) {\displaystyle {\vec {0}}=(0,0,0)} היא x 2 + y 2 + z 2 ≤ r 2 {\displaystyle \!\,x^{2}+y^{2}+z^{2}\leq r^{2}} כאשר x,y,z הן הקואורדינטות במערכת צירים קרטזית של נקודה על פני הכדור, ומרכז הכדור הוא ראשית הצירים. למרחק r {\displaystyle r} קוראים הרדיוס של הכדור. משוואת כדור סגור במערכת צירים קרטזית שמרכזו ( x 0 , y 0 , z 0 ) {\displaystyle \!\,(x_{0},y_{0},z_{0})} היא ( x − x 0 ) 2 + ( y − y 0 ) 2 + ( z − z 0 ) 2 ≤ r 2 {\displaystyle \!\,(x-x_{0})^{2}+(y-y_{0})^{2}+(z-z_{0})^{2}\leq r^{2}} שטח הפנים של כדור בעל רדיוס r {\displaystyle r} הוא A =   4 π r 2 {\displaystyle A=\ 4\pi r^{2}} . הנפח של כדור בעל רדיוס r {\displaystyle r} הוא V = 4 π r 3 3 {\displaystyle V={\frac {4\pi r^{3}}{3}}} . הכדור הוא הצורה שלה שטח פנים מינימלי לכל נפח מוגדר (אי-שוויון איזופרימטרי). לדוגמה, בהיעדר כוח משיכה, טיפת מים שבשל מתח הפנים רוצה להגיע למינימום שטח פנים, תשאף להיות בצורת כדור. ניתן להכליל את הכדור לממד כללי n (כאשר n מספר שלם חיובי). n-כדור מסומן בדרך כלל כ-Bn והוא מוגדר כאוסף הנקודות במרחב אוקלידי n-ממדי שנמצאות במרחק קטן מ-r מנקודה כלשהי במרחב (r, הרדיוס, הוא מספר ממשי חיובי כלשהו). ניתן לתאר את כל הנקודות על הכדור הסגור על ידי שימוש בוקטור. הנקודה ( x 1 , x 2 , … , x n ) ∈ R n {\displaystyle (x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})\in \mathbb {R} ^{n}} שיכת לכדור אם היא מקיימת את אי השוויון x 1 2 + x 2 2 + x 3 2 + . . . + x n 2 = ∑ i = 1 n x i 2 ≤ r 2 {\displaystyle x_{1}^{2}+x_{2}^{2}+x_{3}^{2}+...+x_{n}^{2}=\sum _{i=1}^{n}x_{i}^{2}\leq r^{2}} . בפרט: 0 ממדים – כדור הוא נקודה. 1 ממדים – כדור הוא קטע בישר. 2 ממדים – כדור הוא עיגול במישור. 3 ממדים – כדור הוא הכדור התלת-ממדי. 4 ממדים – כדור הוא איחוד כל הכדורים על פני ממד רביעי w {\displaystyle w} , כאשר רדיוסם הוא r 2 − w 2 {\displaystyle {\sqrt {r^{2}-w^{2}}}} , עבור w ∈ [ − r , r ] {\displaystyle w\in [-r,r]} (ניתן לקבל זאת מנוסחת הכדור ב- n {\displaystyle n} ממדים). נפח הכדור, בצורה מפורשת, נתון על ידי: V n ( r ) = π n / 2 Γ ( n 2 + 1 ) r n = { ( 2 π ) n / 2 r n 2 ⋅ 4 ⋯ n , if  n  is even ; 2 ( 2 π ) ( n − 1 ) / 2 r n 1 ⋅ 3 ⋯ n , if  n  is odd . {\displaystyle V_{n}(r)={\frac {\pi ^{n/2}}{\Gamma {\bigl (}{\tfrac {n}{2}}+1{\bigr )}}}r^{n}={\begin{cases}\displaystyle {\frac {(2\pi )^{n/2}\,r^{n}}{2\cdot 4\cdots n}},&{\text{if }}n{\text{ is even}};\\\\\displaystyle {\frac {2(2\pi )^{(n-1)/2}\,r^{n}}{1\cdot 3\cdots n}},&{\text{if }}n{\text{ is odd}}.\end{cases}}} כאשר   Γ ( z ) {\displaystyle \ \Gamma (z)} היא פונקציית גמא. אפשר לקבל נוסחה מפורשת לשטח הפנים של n-כדור (ספירה) על ידי חישוב הנגזרת של נפח הכדור ע"פ הרדיוס בנקודה r {\displaystyle r} : A n − 1 ( r ) = d d r V n ( r ) = n R V n ( r ) . {\displaystyle A_{n-1}(r)={\frac {d}{dr}}V_{n}(r)={\frac {n}{R}}V_{n}(r).} או בפירוש, A n − 1 ( r ) = 2 π n / 2 Γ ( n 2 ) r n − 1 = { ( 2 π ) n / 2 r n − 1 2 ⋅ 4 ⋯ ( n − 2 ) , if  n  is even ; 2 ( 2 π ) ( n − 1 ) / 2 r n − 1 1 ⋅ 3 ⋯ ( n − 2 ) , if  n  is odd . {\displaystyle A_{n-1}(r)={\frac {2\pi ^{n/2}}{\Gamma {\bigl (}{\tfrac {n}{2}}{\bigr )}}}r^{n-1}={\begin{cases}\displaystyle {\frac {(2\pi )^{n/2}\,r^{n-1}}{2\cdot 4\cdots (n-2)}},&{\text{if }}n{\text{ is even}};\\\\\displaystyle {\frac {2(2\pi )^{(n-1)/2}\,r^{n-1}}{1\cdot 3\cdots (n-2)}},&{\text{if }}n{\text{ is odd}}.\end{cases}}} ניתן לחשב את הרדיוס של n-כדור בעל נפח נתון V {\displaystyle V} על ידי הנוסחא הבאה: r n ( V ) = Γ ( n 2 + 1 ) 1 / n π V 1 / n {\displaystyle r_{n}(V)={\frac {\Gamma {\bigl (}{\frac {n}{2}}+1{\bigr )}^{1/n}}{\sqrt {\pi }}}V^{1/n}} . לפעמים נוח להשתמש בנוסחה מקורבת לחישוב הנפח של הכדור בממדים גבוהים. ניתן לקרב את הנוסחא לחשוב הנפח של n-כדור על ידי נוסחת סטירלינג, ולקבל V n ( r ) ∼ 1 n π ( 2 π e n ) n / 2 r n {\displaystyle V_{n}(r)\sim {\frac {1}{\sqrt {n\pi }}}\left({\frac {2\pi e}{n}}\right)^{n/2}r^{n}} . באופן דומה, ניתן לקבל נוסחה מקורבת לחשוב הרדיוס כפונקציה של הנפח. r n ( V ) ∼ ( π n ) 1 / ( 2 n ) n 2 π e V 1 / n {\displaystyle r_{n}(V)\sim (\pi n)^{1/(2n)}{\sqrt {\frac {n}{2\pi e}}}V^{1/n}} . אפשר להסיק מהנוסחה המקורבת לנפח n-כדור שעבור רדיוס קבוע r, כאשר n שואף לאינסוף, הנפח של הכדור שואף לאפס. עבור n-כדור, הנפח היחסי של קליפה בעובי קבוע שואף ל-1 כאשר n שואף לאינסוף. במילים אחרות, עבור n גדול, רוב הנפח של ה־n-כדור נמצא קרוב לשפה. עבור n-כדור ברדיוס 1, אפשר לחשב את הקליפה בעובי ε {\displaystyle \varepsilon } , הוא crust n = V n ( 1 ) − V n ( 1 − ε ) V n ( 1 ) = 1 − ε n {\displaystyle {\mbox{crust}}_{n}={\frac {V_{n}(1)-V_{n}(1-\varepsilon )}{V_{n}(1)}}=1-\varepsilon ^{n}} . אפשר לראות שעבור ε {\displaystyle \varepsilon } קבוע, הביטוי לנפח הקליפה שואף (בקצב מעריכי) ל-1. כדור (טופולוגיה) קואורדינטות כדוריות ספירה (גאומטריה) מעגל מדיה וקבצים בנושא כדור בוויקישיתוף על המילה 'כדור', באתר האקדמיה ללשון העברית כדור, באתר MathWorld (באנגלית)