更新时间:2022-09-10 09:04
球形(球形是日常生活中人们的叫法,严格的来说叫做球体,英文:sphere)是一种简单空间几何体。半圆以它的直径为旋转轴,旋转所成的曲面叫做球面。球面所围成的几何体叫做球体,简称球。半圆的圆心叫做球心。连结球心和球面上任意一点的线段叫做球的半径。球心到球面上任意一点的距离都相等。连结球面上两点并且经过球心的线段叫做球的直径。
在数学里,球形是指球面内部的空间。球可以是封闭的(包含球面的边界点,称为闭球),也可以是开放的(不包含边界点,称为开球)。
球形的概念不只存在于三维欧氏空间里,亦存在于较低或较高维度,以及一般度量空间里。n 维空间里的球称为n 维球,且包含于 n-1 维球面内。因此,在欧氏平面里,球为一圆盘,包含在圆内。在三维空间里,球则是指在二维球面边界内的空间。
在空间几何体中,球形的表面势能最小。球形是同体积几何体中,表面积最小的 ,球形是同表面积几何体中,体积最大的。球体是一种表面没有棱角的几何体。
在 维欧氏空间里,一个中心为 ,半径为 的 维(开)球是个由所有距 的距离小于 的点所组成之集合。一个中心为 ,半径为 的 维闭球是个由所有距 的距离小于等于 的点所组成之集合。
在 维欧氏空间里,每个球都是某个超球面内部的空间。在一维时,球是个有界的区间;在二维时,是某个圆的内部(圆盘);而在三维时,则是某个球面的内部。
在 维欧氏空间里,半径 R 的球之 维体积为:
其中,Γ是李昂哈德·欧拉的Γ函数(可被视为阶乘在实数的延伸)。使用Γ函数在整数与半整数时的公式,可不需要估算 Γ 函数即可计算出球的体积:
在奇数维度时的体积公式里,对每个奇数 ,双阶乘 定义为
令 为一度量空间,即具有度量(距离函数) 的集合 。中心为 内的点 ,半径为 的开球,通常标计为 或 ,定义为
其闭球,可标计为 或 ,则定义为
请特别注意,一个球(无论开放或封闭)总会包含点 ,因为依定义, 。
开球的闭包通常标记为 。虽然 与 总是成立的,但 则不一定总是为真。举例来说,在一个具离散度量的度量空间 里,对每个 内的 而言,{ ,但 。
一个(开或闭)单位球为一半径为 1 的球。
度量空间的子集是有界的,若该子集包含于某个球内。一个集合是全有界的,若给定一正值半径,该集合可被有限多个具该半径的球所覆盖。
度量空间里的开球为拓扑空间里的基,其中所有的开集合均为某些(有限或无限个)开球的联集。该拓扑空间被称为由度量 导出之拓扑。
每个具范数 |·| 的赋范向量空间亦为一度量空间,其中度量 。在此类空间里,每个球 均可视为是单位球 平移 ,再缩放 后所得之集合。
前面讨论的欧氏空间里的球亦为赋范向量空间里球的一例。
在具 p-范数 的笛卡尔空间 里,开球是指集合
在二维 时, (通常称为曼哈顿度量)的球是对角线平行于坐标轴的正方形;而 (切比雪夫度量)的球则是个边平行于坐标轴的正方形。对于 的其他值,该球则会是超椭圆的内部。
在三维 时, 的球是个对角线平行为坐标轴的八面体,而 的球则是个边平行为坐标轴的正立方体。对于 的其他值,该球则会是超椭球的内部。
更一般性地,给定任一 内中心对称、有界、开放且凸的集合 ,均可定义一个在 的范数,该球均为 X 平移再一致缩放后所得之集合。须注意,若将此定理内的“开”子集以“闭”子集替代,则定理不能成立,因为原点也符合定理内所定之集合,但无法定义 内的范数。
在拓扑学的文献里,“球形”可能有两种含义,由上下文决定。
一词有时被非正式地用于指代任何开集:可以用 点周围的一个球”代表包含的一个开集。该集合同胚于什么依赖于背景拓扑空间以及所选取的开集。同样,“闭球”有时用于表示这样一个开集的闭包。(这可能产生误导,例如超度量空间中一个闭球不是同样半径的开球的闭包,它们都是既开且闭的。)
有时,邻域用于指代这个意义上的球,但是邻域其实有更一般的意义: 的一个邻域是任何包含一个的开集的集合,因此通常不是开集。
内的 维(开或闭)拓扑球是指 X 内同胚于 维(开或闭)欧几里得球的任一子集,该子集不一定需要由某个度量导出。n 维拓扑球在组合拓扑学里很重要,为建构胞腔复形的基础。
任一 维开拓扑球均同胚于笛卡尔空间 及 维开单位超方形 。任一 维闭拓扑球均同胚于 维闭超方形 [0,1]。
维球同胚于 维球,当且仅当 。 维开球 与 间的同胚可分成两种类型,以 的两种可能之拓扑定向来区分。
一个 维拓扑球不一定是光滑的;若该球是光滑的,亦不一定需微分同胚于一 维欧几里得球
由于球体的物理特性,因此生活中很多地方都可以看到球体:
核武器中原子弹(裂变弹)的制造。球形是临界质量最小的一种形状,从单位球形裂变材料中逃逸出来的中子数最少,因此采用裸球,铀235和钚239的临界质量分别为52和10千克(铀235的密度小于钚239)。
在表面张力的作用下,液滴总是力图保持球形,这就是我们常见的树叶上的水滴按近球形的原因。藻类体形多样,但细胞具有趋同的球形或近似球形,是有利于浮游生活的适应。
物质总自然趋于势能最低的状态!球形(或椭球体)是宇宙中大质量天体保持内部受力均衡的主要形式之一。
半圆以它的直径为旋转轴,旋转所成的曲面叫做球面。球面所围成的几何体叫做球体,简称球。半圆的圆心叫做球心。连结球心和球面上任意一点的线段叫做球的半径。连结球面上两点并且经过球心的线段叫做球的直径。用一个平面去截一个球,截面是圆面。球的截面有以下性质:
1) 球心和截面圆心的连线垂直于截面;
2) 球心到截面的距离 与球的半径 及截面的半径 有下面的关系: 。
球面被经过球心的平面截得的圆叫做大圆,被不经过球心的截面截得的圆叫做小圆。
在球面上,两点之间的最短连线的长度,就是经过这两点的大圆在这两点间的一段劣弧的长度,我们把这个弧长叫做两点的球面距离。
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