Дипломная работа: Многомерная геометрия

Расстояние от центра построенного - симплекса  до его (-1) – граней равно 1, а расстояние от того же центра до вершин этого - симплекса равно . Длина каждого из ребер этого - симплекса равна .

Из определения правильного - симплекса видно, что все - грани правильного - симплекса являются правильными - симплексами.

 Рис.30

На рисунке изображен правильный (-1) – симплекс (= 4)

Объем правильного - симплекса.

Вычислим объем построенного правильного симплекса. Так как объем основания этого - симплекса равен произведению , а высота этого - симплекса равна +1, получаем, что

.

.

При = 2 формула дает нам .

При = 3 формула .

Объем правильного - симплекса, (-1) – грани которого находятся на расстоянии  от его центра, равен

.

§ 9. K-шары в пространстве

Называть k-мерной сферой евклидова k-пространства или k-сферой этого пространства множество всех точек этого пространства, лежащих в одной (k + 1)-плоскости и отстоящих от данной точки, называемой центром k-сферы, на одном и том же расстоянии, называемом радиусом k-сферы.

При k = n – 1 k-сфера определяется как множество всех точек пространства, отстоящих от одной точки на одном и том же расстоянии: в дальнейшем, говоря «сфера», будем иметь в виду (n – 1)-сферу. При k = 1, k-сфера называется окружностью.

Если радиус (k– 1)-сферы равен R, то множество всех точек k-плоскости этой (k– 1)-cферы, находящихся от центра (k– 1)-cферы на расстоянии , называется k-шаром. При k = n n-шар определяется как множество всех точек n-пространства, отстоящих от центра сферы на расстоянии . В дальнейшем, говоря «шар», будем иметь в виду n-шар. При k = 2 k-шар называется кругом.

Если центр сферы – точка М0(х0), а радиус равен R (рис. 31), радиус-вектор х произвольной точки М сферы связан условием, состоящим в том, что расстояние М0М равно R. Так как это расстояние равно модулю вектора , т. е. , то уравнение сферы с центром в точке М0, и радиусом R имеет

  (9. 1)

или, после возведения обеих частей уравнения (9. 1) в квадрат

  (9. 2)

Рис. 31

Уравнению (9. 2) не удовлетворяет радиус-вектор ни одной точки, для которой расстояние М0М не равно R, так как и расстояние М0М и радиус R – положительные числа.

Уравнение (9. 2) называется векторным уравнением сферы. Это уравнением сферы. Это уравнение является частным случаем векторного уравнения поверхности. Поэтому сфера является частным случаем уравнения поверхности, так как k-сферу можно рассматривать как сферу в (k + 1)-пространстве.

Так как k-сфера с центром в точке М0(х0) и радиусом в некоторой (k + 1)-плоскости является пересечением сферы с тем же центром и радиусом с указанной (k + 1)-плоскостью, уравнениями k-сферы является уравнение (9. 2) сферы с тем же центром и радиусом и уравнения (k + 1)-плоскости.

Если центр сферы находится в начале, х0=0, то уравнение (9. 2) примет вид

  (9. 3)

Уравнение (9. 2) можно переписать в виде

  (9. 4)

или, умножая обе части этого равенства на число а, в виде

  (9. 5)

Вектор  и число с в уравнении (9. 5) связаны с радис-вектором х0 центра сферы и её радиусом R соотношениями

 , (9. 6)

Поэтому, если дано уравнение (9. 5) сферы, то центр и радиус этой сферы определяются соотношениями.

 ,  (9. 7)

Уравнение (9. 5) при а = 1, т. е. уравнение

  (9. 8)

называется нормальным уравнением сферы. В случае нормального уравнения сферы соотношения (9. 7) показывает, что, для того чтобы уравнение (9. 5) было уравнением сферы, необходимо выполнение неравенства

  (9. 9)

В случае, когда , уравнению (9. 5) удовлетворяет только одна точка М0(х0), которую можно рассматривать как сферу нулевого радиуса. Для того, чтобы общее уравнение второй степени было бы уравнением сферы, необходимо выполнение неравенства, равносильного неравенству (9. 9).

Геометрия k-сфер

1. Уравнение k-сфер

Определим k-сферы как пересечения сферы с (k+1)-плоскостью. Так как (k+1)-плоскость в свою очередь является пересечением n – k – 1 плоскостей, а каждая из этих плоскостей может быть заменена такой сферой, что указанная плоскость является радикальной плоскостью для этой сферы и данной сферы, k-сфера является пересечением n – k независимых сфер. Поэтому k – сферу можно задать n – k – уравнениями

В этом случае произвольная сфера, проходящая через данную k-сферу, определяется уравнением

  (9. 10)

При k = n – 2 совокупность сфер с уравнениями вида (9. 10) составляет пучок сфер.

Если даны две сферы

, ,

то совокупность сфер с уравнениями

 называется пучком сфер,

содержащем две сферы.

Уравнение при  является уравнением плоскости.

Взаимное расположение двух k-сфер

Две k-сферы k-пространства без общих точек будем называть зацепленными, если всякая сфера, проходящая через одну из этих k-сфер, пересекается со всякой сферой, проходящей через другую k-сферу. Будем называть две k-сферы k-пространства без общих точек незацепленными, если существуют непересекающиеся сферы, проходящие через эти k-сферы.

На рисунке изображены различные виды взаимного расположения двух окружностей в 3-пространстве.

 а) зацепление б) пересечение в точке

в) незацепление

Рис. 32

Объём сферы

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16