Definicja intuicyjna |
Sfera to powierzchnia kuli. |
Sfera (z gr. σφαῖρα sphaîra „kula, piłka”) – uogólnienie pojęcia okręgu na więcej wymiarów. Jest to zbiór wszystkich punktów (miejsce geometryczne) w przestrzeni metrycznej oddalonych o ustaloną odległość od wybranego punktu. Ustalona odległość nazywa się promieniem sfery, wybrany punkt nazywa się środkiem sfery. Zwykle przyjmuje się dodatkowo, że promień musi być dodatni[1]. Tak zdefiniowany zbiór jest brzegiem kuli o tym samym środku i promieniu[2]. Zazwyczaj jako przestrzeń metryczną rozpatruje się przestrzeń euklidesową.
Sfera w euklidesowej przestrzeni trójwymiarowej
[edytuj | edytuj kod]Najczęściej mówimy o sferze w przestrzeni euklidesowej trójwymiarowej. Taka sfera jest dwuwymiarową powierzchnią opisywaną wzorem:
gdzie to współrzędne środka sfery, a wartość jest nazywana promieniem sfery. Często dodatkowo zakłada się, że (sfera z zerowym promieniem to przypadek zdegenerowany, w którym nie wszystkie typowe własności są zachowane).
W tym samym układzie współrzędnych sfera może być opisana za pomocą równania parametrycznego:
gdzie:
Parametry są odpowiednio długością i szerokością geograficzną w odpowiednim układzie współrzędnych sferycznych związanym ze środkiem sfery
W układzie współrzędnych sferycznych, równanie sfery o promieniu i środku znajdującym się w środku układu współrzędnych, przyjmuje postać dla dowolnych kątów
Związane pojęcia
[edytuj | edytuj kod]Cięciwa sfery to odcinek o końcach na sferze.
Średnica sfery to:
- cięciwa przechodząca przez środek sfery
- długość tej cięciwy, czyli podwojona wartość promienia sfery.
Pole powierzchni sfery wyraża się wzorem:
Okrąg wielki sfery to okrąg o promieniu tej sfery, o środku w jej środku.
Krzywizna Gaussa sfery w każdym jej punkcie wynosi:
Sfera w n-wymiarowej przestrzeni euklidesowej
[edytuj | edytuj kod]Pojęcie sfery może być zdefiniowane w przestrzeni euklidesowej dowolnego wymiaru. Wówczas w przestrzeni -wymiarowej sfera może być opisana następującym wzorem:
gdzie to -ta współrzędna punktu na sferze, to -ta współrzędna jej środka, to promień sfery. W tym ujęciu okrąg jest szczególnym przypadkiem sfery w przestrzeni dwuwymiarowej, a zbiór dwóch punktów jest sferą w przestrzeni jednowymiarowej.
Sfera w przestrzeni -wymiarowej jest czasem nazywana sferą m-wymiarową i oznaczana gdzie ponieważ taka sfera jest powierzchnią -wymiarową. Dla przykładu, zwykłą sferę rozpatruje się w przestrzeni trójwymiarowej, ale ona jest zwykłą powierzchnią, czyli obiektem dwuwymiarowym; dlatego to sfera dwuwymiarowa, Jeżeli (tzn. ), to taka uogólniona sfera jest nazywana też hipersferą.
Uogólnienia
[edytuj | edytuj kod]Sfera jest też pojęciem topologii, w której oznacza przestrzeń topologiczną homeomorficzną z -wymiarową hipersferą. Sfera rozpatrywana w topologii ma więc te same topologiczne własności jak hipersfera, tzn. jest to -wymiarowa rozmaitość bez brzegu, zwarta i jest homotopijnie równoważna z -hipersferą.
Uogólniona hipoteza Poincarégo (włącznie z potwierdzonym już przypadkiem 3-wymiarowym) stwierdza, że jest też odwrotnie – każda -wymiarowa rozmaitość bez brzegu, zwarta i mająca typ homotopijny -hipersfery jest homeomorficzna z -hipersferą.
Zobacz też
[edytuj | edytuj kod]Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ Fritz Reinhardt, Heinrich Soeder: Atlas matematyki. Prószyński i S-ka, 2003, s. 201. ISBN 83-7469-189-1.
- ↑ sfera, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-10-03] .
Bibliografia
[edytuj | edytuj kod]- Krzysztof Ciesielski, Zdzisław Pogoda: Bezmiar Matematycznej Wyobraźni. Warszawa: Prószyński i S-ka, 2005. ISBN 83-7337-932-0.
Linki zewnętrzne
[edytuj | edytuj kod]- Michał Kieza , Kącik przestrzenny (2): Najmocniejsze twierdzenie stereometrii, „Delta”, marzec 2010, ISSN 0137-3005 [dostęp 2024-11-02] .