数学において、n
次元球面(n-sphere)とは、通常の
球面の概念をn
次元空間へと一般化したものです。具体的には、n
次元球面は、(n+1)
次元ユークリッド空間において、ある中心点から一定の距離(半径)にある全ての点の集合として定義されます。この半径は任意の正の
実数を取り得ます。原点を中心とするn
次元球面は以下の式で表されます。
Sⁿ = {x ∈ ℝⁿ⁺¹ : ||x|| = r}
ここで、`Sⁿ`はn
次元球面、`x`は(n+1)
次元空間の点、`||x||`は点xの中心からの距離(ノルム)、`r`は半径を表します。
具体的な例
0次元球面: これは2つの点からなり、
線分の両端に相当します。
1次元球面: これは円であり、
円板の境界です。
2次元球面: これは通常の
球面であり、
球体の表面です。
次元が2を超える
球面は超
球面(hypersphere)と呼ばれることもあります。特に
3次元球面はグローム(glome)とも呼ばれます。
半径1で原点中心のn
次元球面は、単位n
次元球面と呼ばれ、しばしば`Sⁿ`と表記されます。これは「n-sphere」とも呼ばれます。
n
次元球面は、(n+1)
次元球体の境界であり、n
次元多様体です。
n ≥ 2の場合、n
次元球面は正の定曲率を持つ単連結なn
次元多様体です。
n
次元球面は、n
次元ユークリッド空間の1点コンパクト化、n
次元超立方体の境界を一点と同一視、(n-1)
次元球面の懸垂など、さまざまな方法で構成できます。
n
次元球面は、(n+1)
次元ユークリッド空間において、ある固定点cから距離rにある点の集合として定義されます。ここで、rは任意の正の
実数、cは(n+1)
次元空間の任意の点です。
具体的には、
0次元球面は、点対 `{c-r, c+r}`であり、
線分の境界です。
1
次元球面は、中心c、半径rの円であり、
円板の境界です。
2次元球面は、
3次元空間内の通常の
球面であり、
球体の境界です。
3次元球面は、
4次元ユークリッド空間内の
球面です。
(n+1)
次元空間におけるn
次元球面`Sⁿ`は、以下の式で表されます。
r² = Σ(xi - ci)² (i = 1 から n+1)
ここで、`(x₁, x₂, ..., xₙ₊₁)`は(n+1)
次元空間の点の座標、`(c₁, c₂, ..., cₙ₊₁)`は中心点の座標、`r`は半径です。
体積形式
半径rのn
次元球面の体積形式ωは以下のように与えられます。
ω = (1/r) Σ (-1)⁽ʲ⁻¹⁾xⱼ dx₁ ∧ ... ∧ dxⱼ₋₁ ∧ dxⱼ₊₁ ∧ ... ∧ dxₙ₊₁ = dr
ここで、はホッジスター作用素です。
また、`dr ∧ ω = dx₁ ∧ ... ∧ dxₙ₊₁`が成り立ちます。
n
次元球面によって囲まれる有界領域は(n+1)
次元球体と呼ばれます。(n+1)
次元球体は、n
次元球面を含む場合は閉集合、含まない場合は開集合です。
具体例として、
1
次元球体は
線分です。
2次元球体は
円板です。
3次元球体は通常の
球体です。
4次元球体は
3次元球面の内部です。
位相幾何学的には、n
次元球面はn
次元ユークリッド空間の1点コンパクト化として構成できます。つまり、n
次元球面は`Sⁿ = ℝⁿ ∪ {∞}`として記述でき、これはn
次元ユークリッド空間に無限遠点を一つ追加したものです。特に、n
次元球面から1点を除くと、それは`ℝⁿ`と同相になります。
これは立体射影の原理に基づいています。
体積と表面積
n
次元ユークリッド空間内のn
次元球体および(n+1)
次元ユークリッド空間内のn
次元球面の体積は、半径Rのn乗に比例します。半径Rのn
次元球体の体積をVₙ(R) = VₙRⁿ、n
次元球面の体積をSₙ(R) = SₙRⁿと書くと、これらの比例定数の
数列Vₙ, Sₙには以下のような関係があります。
漸化式
n
次元球面の「表面積」は、(n+1)
次元球体の体積との間に以下の関係があります。
SₙRⁿ = d(Vₙ₊₁Rⁿ⁺¹)/dR = (n+1)Vₙ₊₁Rⁿ
単位(n+1)
次元球体を無数の同心n
次元「球殻」の合併として表すことにより
Vₙ₊₁ = ∫₀¹Sₙrⁿdr = Sₙ/(n+1)
が得られます。
(n+2)
次元単位
球面を円とn
次元球面の直積として表すこともでき、`Sₙ₊₂ = 2πVₙ₊₁`が得られます。
これらの漸化式をまとめると、
V₀ = 1, Vₙ₊₁ = Sₙ/(n+1), S₀ = 2, Sₙ₊₁ = 2πVₙ
となります。
閉じた形
上記の漸化式から、Vₙ₊₂ = 2πVₙ/(n+2)が得られ、以下のように表現できます。
V₂ₖ = πᵏ/k!, V₂ₖ₊₁ = 2(2π)ᵏ/(2k+1)!!
n
次元単位
球体の体積は、
ガンマ関数を用いて以下のように一般化できます。
Vₙ = πⁿ/² / Γ(n/2 + 1)
また、n
次元球面の表面積は以下のように表されます。
Sₙ₋₁ = 2πⁿ/² / Γ(n/2)
その他の関係
漸化式からは、以下の「逆向き」の漸化関係を得ることができます。
Sₙ₋₁ = (n/(2π))Sₙ₊₁
この漸化式を用いて、以下の関係も導出できます。
Vₙ = (2π/n)Vₙ₋₂, Sₙ₋₁ = (2π/(n-2))Sₙ₋₃
さらに、Vₙに対する漸化関係は、
2次元極座標での積分によっても証明できます。
球座標系
3次元ユークリッド空間における
球面座標系と同様に、n
次元ユークリッド空間にも球座標系を定義できます。この座標系は、動径座標rとn-1個の偏角座標`φ₁, φ₂, ..., φₙ₋₁`から構成されます。
直交座標`x₁, x₂, ..., xₙ`は、これらの座標から以下のように計算できます。
x₁ = r cos(φ₁)
x₂ = r sin(φ₁) cos(φ₂)
x₃ = r sin(φ₁) sin(φ₂) cos(φ₃)
...
xₙ₋₁ = r sin(φ₁) ... sin(φₙ₋₂) cos(φₙ₋₁)
xₙ = r sin(φ₁) ... sin(φₙ₋₂) sin(φₙ₋₁)
逆変換も可能で、以下のようになります。
r = √(xₙ² + xₙ₋₁² + ... + x₂² + x₁²)
φ₁ = arccot(x₁/√(xₙ² + xₙ₋₁² + ... + x₂²))
φ₂ = arccot(x₂/√(xₙ² + xₙ₋₁² + ... + x₃²))
...
φₙ₋₂ = arccot(xₙ₋₂/√(xₙ² + xₙ₋₁²))
φₙ₋₁ = 2arccot((xₙ₋₁ + √(xₙ² + xₙ₋₁²))/xₙ)
これらの式により、n
次元空間における点と球座標が相互に変換可能です。
ラジアンで角度を表すとき、n
次元ユークリッド空間における体積要素は、以下のヤコビアンから求められます。
dⁿV = |det ∂(xᵢ)/∂(r, φⱼ)| dr dφ₁ dφ₂ ... dφₙ₋₁ = rⁿ⁻¹ sinⁿ⁻²(φ₁) sinⁿ⁻³(φ₂) ... sin(φₙ₋₂) dr dφ₁ dφ₂ ... dφₙ₋₁
n
次元球の体積は、この体積要素を積分することによって得られます。
立体射影
2次元球面が平面に立体射影できるのと同様に、n
次元球面もn
次元超平面に立体射影できます。半径1のn
次元球面の立体射影は、以下のように与えられます。
[x₁, x₂, ..., xₙ] → [x₁/(1-xₙ), x₂/(1-xₙ), ..., xₙ₋₁/(1-xₙ)]
ランダムな点の生成
n
次元球面から一様にランダムな点を生成する方法として、以下のアルゴリズムがあります。
1.
正規分布に従うn
次元ベクトル `x = (x₁, x₂, ..., xₙ)` を生成します。
2. ベクトルの半径 `r = √(x₁² + x₂² + ... + xₙ²)` を計算します。
3. ベクトル `(1/r)x` は、単位n
次元球面上に
一様分布しています。
また、超立方体上の
一様分布から超
球面上へ射影する方法もあります。
0次元球面: 離散位相を持つ点の対 {±R}。
1次元球面: 円。
2次元球面: 通常の
球面。
3次元球面: 平行化可能、
2次元球面上主U(1)束、リー群構造を持つ。
4次元球面: 四元射影直線HP¹。
5次元球面: CP²上の主U(1)束。
6次元球面: 純単位八元数の集合から来る概複素構造。
7次元球面: 単位八元数の集合としての位相的擬群構造。
8次元球面: 八元射影直線OP¹。
23次元球面: 最も高密度な球充填が可能な
次元。
関連項目
アファイン
球面
共形幾何学
ホモロジー
球面
球面のホモトピー群
ホモトピー
球面
双曲群
超立方体
反転幾何学
ループ (
位相幾何学)
多様体
メビウス変換
直交群
球冠
超球の体積
参考文献
Flanders, Harley (1989). Differential forms with applications to the physical sciences. New York: Dover Publications.
Moura, Eduarda; Henderson, David G. (1996). Experiencing geometry: on plane and sphere. Prentice Hall.
Weeks, Jeffrey R. (1985). The Shape of Space: how to visualize surfaces and three-dimensional manifolds. Marcel Dekker.
Marsaglia, G. (1972). “Choosing a Point from the Surface of a Sphere”. Annals of Mathematical Statistics 43 (2): 645–646.
Huber, Greg (1982). “Gamma function derivation of n-sphere volumes”. Am. Math. Monthly 89 (5): 301–302.
Barnea, Nir (1999). “Hyperspherical functions with arbitrary permutational symmetry: Reverse construction”. Phys. Rev. A 59 (2): 1135–1146.
この文章は、n
次元球面についての理解を深めるために、その定義、性質、様々な表現方法を詳細に解説しています。参考文献も挙げていますので、さらに深く学びたい方は参考にしてください。