Hiperkula – zwyczajowa nazwa uogólnienia kuli w
n
{\displaystyle n}
-wymiarowych przestrzeniach kartezjańskich
R
n
.
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}.}
Tak więc hiperkulą może być nazwane zarówno dwuwymiarowe koło , jak i trój-, cztero- lub pięciowymiarowa kula; jednak pojęcia tego używa się najczęściej dla cztero- lub więcej wymiarowych kul.
Rzut na płaszczyznę siatki pokrywającej hiperkulę czterowymiarową
Wyobrażenie sobie wielowymiarowej (cztero-, pięcio-, lub więcej) hiperkuli jest trudne dla człowieka, ponieważ przestrzeń z czterema lub większą liczbą wymiarów leży poza granicami ludzkiej, trójwymiarowej percepcji . Można narysować rzut hiperkuli na płaszczyznę, lub ewentualnie skonstruować rzut na przestrzeń trójwymiarową – dostajemy jednak wówczas odpowiednio zwykłe koło i zwykłą kulę. Można też pokryć powierzchnię hiperkuli siatką (odpowiadającą siatce równoleżników i południków na kuli) i narysować jej rzut. Uzyskujemy wówczas rysunek taki jak obok.
W przypadku przekrojenia hiperkuli, w miejscu przecięcia zobaczymy kulę (analogicznie do przekrojenia kuli, gdy w miejscu przecięcia widzimy koło).
Hiperkulą o środku w punkcie
S
=
(
s
1
,
…
,
s
n
)
{\displaystyle S=(s_{1},\dots ,s_{n})}
i promieniu długości
r
{\displaystyle r}
nazywamy zbiór punktów przestrzeni
R
n
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}
spełniających nierówność
(
x
1
−
s
1
)
2
+
(
x
2
−
s
2
)
2
+
…
+
(
x
n
−
s
n
)
2
⩽
r
2
.
{\displaystyle (x_{1}-s_{1})^{2}+(x_{2}-s_{2})^{2}+\ldots +(x_{n}-s_{n})^{2}\leqslant r^{2}.}
Brzegiem hiperkuli jest zbiór punktów przestrzeni
R
n
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}
spełniających równanie
(
x
1
−
s
1
)
2
+
(
x
2
−
s
2
)
2
+
…
+
(
x
n
−
s
n
)
2
=
r
2
.
{\displaystyle (x_{1}-s_{1})^{2}+(x_{2}-s_{2})^{2}+\ldots +(x_{n}-s_{n})^{2}=r^{2}.}
Zbiór ten nazywamy hipersferą . Hipersfera będąca brzegiem kuli
n
{\displaystyle n}
-wymiarowej jest obiektem
(
n
−
1
)
{\displaystyle (n-1)}
-wymiarowym, podobnie jak brzeg dwuwymiarowego koła jest obiektem jednowymiarowym – krzywą zwaną okręgiem .
n
{\displaystyle n}
-wymiarową objętość
n
{\displaystyle n}
-wymiarowej hiperkuli o promieniu
r
{\displaystyle r}
można obliczyć ze wzoru:
V
n
=
π
n
2
Γ
(
n
2
+
1
)
⋅
r
n
=
{
π
k
k
!
⋅
r
n
dla
n
=
2
k
,
2
k
π
k
−
1
n
!
!
⋅
r
n
dla
n
=
2
k
−
1
,
{\displaystyle V_{n}={\frac {\pi ^{\frac {n}{2}}}{\Gamma ({\frac {n}{2}}+1)}}\cdot r^{n}={\begin{cases}\displaystyle {\frac {\pi ^{k}}{k!}}\cdot r^{n}&{\text{dla }}n=2k,\\[2ex]\displaystyle {\frac {2^{k}\pi ^{k-1}}{n!!}}\cdot r^{n}&{\text{dla }}n=2k-1,\end{cases}}}
gdzie
Γ
{\displaystyle \Gamma }
oznacza funkcję gamma ,
π
{\displaystyle \pi }
to stała matematyczna wynosząca
π
≈
3,141
593
,
{\displaystyle \pi \approx 3{,}141593,}
zaś symbol
n
!
!
{\displaystyle n!!}
oznacza silnię podwójną . Wraz ze wzrostem liczby wymiarów, hiperkula wypełnia coraz mniejszą część hipersześcianu , w który jest wpisana. Stosunek ich objętości maleje do zera, gdy
n
{\displaystyle n}
dąży do nieskończoności .
(
n
−
1
)
{\displaystyle (n-1)}
-wymiarowa powierzchnia hiperkuli jest związana prostym wzorem z jej objętością:
S
n
=
n
V
n
r
.
{\displaystyle S_{n}={\frac {nV_{n}}{r}}.}
n
{\displaystyle n}
-wymiarową objętość
n
{\displaystyle n}
-wymiarowej hiperkuli można policzyć, całkując odpowiednio
(
n
−
1
)
{\displaystyle (n-1)}
-wymiarową hiperkulę, przy czym 0-wymiarowa hiperkula jest punktem o objętości równej 1, co jest warunkiem brzegowym tego wzoru.
V
n
(
r
)
=
{
1
dla
n
=
0
,
∫
−
r
r
V
n
−
1
(
r
2
−
x
2
)
d
x
dla
n
>
0.
{\displaystyle V_{n}(r)={\begin{cases}\displaystyle 1&{\text{dla }}n=0,\\[2ex]\displaystyle \int \limits _{-r}^{r}\,V_{n-1}({\sqrt {r^{2}-x^{2}}})dx&{\text{dla }}n>0.\end{cases}}}
Dla kolejnych
n
{\displaystyle n}
-wymiarowych hiperkul objętość wynosi:
n
Wzór na uogólnioną objętość (Vn ):
0
{\displaystyle 0}
V
0
=
1
{\displaystyle V_{0}=1}
1
{\displaystyle 1}
V
1
=
2
⋅
r
{\displaystyle V_{1}=2\cdot r}
2
{\displaystyle 2}
V
2
=
π
⋅
r
2
≃
3,141
59265
⋅
r
2
{\displaystyle V_{2}=\pi \cdot r^{2}\simeq 3{,}14159265\cdot r^{2}}
3
{\displaystyle 3}
V
3
=
4
3
π
⋅
r
3
≃
4,188
7902
⋅
r
3
{\displaystyle V_{3}={\frac {4}{3}}\pi \cdot r^{3}\simeq 4{,}1887902\ \cdot r^{3}}
4
{\displaystyle 4}
V
4
=
π
2
2
⋅
r
4
≃
4,934
8022
⋅
r
4
{\displaystyle V_{4}={\frac {\pi ^{2}}{2}}\ \cdot r^{4}\simeq 4{,}9348022\cdot r^{4}}
5
{\displaystyle 5}
V
5
=
8
⋅
π
2
15
⋅
r
5
≃
5,263
789
⋅
r
5
{\displaystyle V_{5}={\frac {8\cdot \pi ^{2}}{15}}\cdot r^{5}\simeq 5{,}263789\cdot r^{5}}
6
{\displaystyle 6}
V
6
=
π
3
6
⋅
r
6
≃
5,167
7128
⋅
r
6
{\displaystyle V_{6}={\frac {\pi ^{3}}{6}}\cdot r^{6}\simeq 5{,}1677128\cdot r^{6}}
7
{\displaystyle 7}
V
7
=
16
⋅
π
3
105
⋅
r
7
≃
4,724
766
⋅
r
7
{\displaystyle V_{7}={\frac {16\cdot \pi ^{3}}{105}}\cdot r^{7}\simeq 4{,}724766\cdot r^{7}}
8
{\displaystyle 8}
V
8
=
π
4
24
⋅
r
8
≃
4,058
7121
⋅
r
8
{\displaystyle V_{8}={\frac {\pi ^{4}}{24}}\cdot r^{8}\simeq 4{,}0587121\cdot r^{8}}
9
{\displaystyle 9}
V
9
=
32
⋅
π
4
945
⋅
r
9
≃
3,298
5089
⋅
r
9
{\displaystyle V_{9}={\frac {32\cdot \pi ^{4}}{945}}\cdot r^{9}\simeq 3{,}2985089\cdot r^{9}}
10
{\displaystyle 10}
V
10
=
π
5
120
⋅
r
10
≃
2,550
164
⋅
r
10
{\displaystyle V_{10}={\frac {\pi ^{5}}{120}}\cdot r^{10}\simeq 2{,}550164\cdot r^{10}}
11
{\displaystyle 11}
V
11
=
64
⋅
π
5
10395
⋅
r
11
≃
1,884
1039
⋅
r
11
{\displaystyle V_{11}={\frac {64\cdot \pi ^{5}}{10395}}\cdot r^{11}\simeq 1{,}8841039\cdot r^{11}}
12
{\displaystyle 12}
V
12
=
π
6
720
⋅
r
12
≃
1,335
2628
⋅
r
12
{\displaystyle V_{12}={\frac {\pi ^{6}}{720}}\cdot r^{12}\simeq 1{,}3352628\cdot r^{12}}
13
{\displaystyle 13}
V
13
=
128
⋅
π
6
135135
⋅
r
13
≃
0,910
6288
⋅
r
13
{\displaystyle V_{13}={\frac {128\cdot \pi ^{6}}{135135}}\cdot r^{13}\simeq 0{,}9106288\cdot r^{13}}
14
{\displaystyle 14}
V
14
=
π
7
5040
⋅
r
14
≃
0,599
2645
⋅
r
14
{\displaystyle V_{14}={\frac {\pi ^{7}}{5040}}\cdot r^{14}\simeq 0{,}5992645\cdot r^{14}}
15
{\displaystyle 15}
V
15
=
256
⋅
π
7
2027025
⋅
r
15
≃
0,381
44328
⋅
r
15
{\displaystyle V_{15}={\frac {256\cdot \pi ^{7}}{2027025}}\cdot r^{15}\simeq 0{,}38144328\cdot r^{15}}
16
{\displaystyle 16}
V
16
=
π
8
40320
⋅
r
16
≃
0,235
33063
⋅
r
16
{\displaystyle V_{16}={\frac {\pi ^{8}}{40320}}\cdot r^{16}\simeq 0{,}23533063\cdot r^{16}}
17
{\displaystyle 17}
V
17
=
512
⋅
π
8
34459425
⋅
r
17
≃
0,140
981107
⋅
r
17
{\displaystyle V_{17}={\frac {512\cdot \pi ^{8}}{34459425}}\cdot r^{17}\simeq 0{,}140981107\cdot r^{17}}
18
{\displaystyle 18}
V
18
=
π
9
362880
⋅
r
18
≃
0,082
1459
⋅
r
18
{\displaystyle V_{18}={\frac {\pi ^{9}}{362880}}\cdot r^{18}\simeq 0{,}0821459\cdot r^{18}}
19
{\displaystyle 19}
V
19
=
1024
⋅
π
9
654729075
⋅
r
19
≃
0,046
6216
⋅
r
19
{\displaystyle V_{19}={\frac {1024\cdot \pi ^{9}}{654729075}}\cdot r^{19}\simeq 0{,}0466216\cdot r^{19}}
20
{\displaystyle 20}
V
20
=
π
10
3628800
⋅
r
20
≃
0,025
80689
⋅
r
20
{\displaystyle V_{20}={\frac {\pi ^{10}}{3628800}}\cdot r^{20}\simeq 0{,}02580689\cdot r^{20}}
2
m
{\displaystyle 2m}
V
2
m
=
π
m
m
!
⋅
r
2
m
{\displaystyle V_{2m}={\frac {\pi ^{m}}{m!}}\cdot r^{2m}}
2
m
+
1
{\displaystyle 2m+1}
V
2
m
+
1
=
2
2
m
+
1
⋅
m
!
⋅
π
m
(
2
m
+
1
)
!
⋅
r
2
m
+
1
{\displaystyle V_{2m+1}={\frac {2^{2m+1}\cdot m!\cdot \pi ^{m}}{(2m+1)!}}\cdot r^{2m+1}}
∞
{\displaystyle \infty }
lim
n
→
∞
V
n
r
n
=
0
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {V_{n}}{r^{n}}}\ =0}