類球面

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椭圆围绕一个垂直轴旋转而成的类球面
扁球面 長球面

類球面是一種二次曲面。二維的橢圓有兩個主軸,稱為長軸與短軸。在三維空間裏,將一個橢圓繞著其任何一主軸旋轉,則可得到一個類球面。

  • 假若,這旋轉主軸是長軸,則這個類球面為長球面。例如,英式足球裏所用的橄欖球是長球形狀。
  • 假若,這旋轉主軸是短軸,則這個類球面為扁球面。例如,地球在北極與南極稍微有點扁平,在赤道又有點凸漲。所以,地球是扁球形狀。
  • 假若,生成的橢圓是圓圈,則這個類球面為完全對稱的圓球面。

方程式

用另外一種方法來描述,類球面是一種橢球面。採用直角坐標(x, y, z){\displaystyle (x,\ y,\ z)\,\!},橢球面可以表達為

x2a2+y2b2+z2c2=1{\displaystyle {x^{2} \over a^{2}}+{y^{2} \over b^{2}}+{z^{2} \over c^{2}}=1};

其中,a{\displaystyle a\,\!}與b{\displaystyle b\,\!}分別是橢球面在x-軸與y-軸的赤道半徑,c{\displaystyle c\,\!}是橢球面在z-軸的極半徑,這三個正值實數的半徑決定了橢球面的形狀。 以z-轴为旋转轴的类球面a=b{\displaystyle a=b\,},它的方程为:

x2+y2a2+z2c2=1{\displaystyle {\frac {x^{2}+y^{2}}{a^{2}}}+{\frac {z^{2}}{c^{2}}}=1}。
  • 假若,三個半徑都相等,則這橢球面是圓球面:
a=c{\displaystyle a=c\,\!}。
  • 假若,類球面的赤道半徑小於極半徑,則這是類球面是長球面:
a<c{\displaystyle a<c\,\!}。
  • 假若,類球面的赤道半徑大於極半徑,則這是類球面是扁球面:
a>c{\displaystyle a>c\,\!}。

性质

面積

扁球面c < a,它的表面积为:

Soblate=2πa2(1+1−e2eartanhe)=2πa2+πc2eln⁡(1+e1−e){\displaystyle S_{\rm {oblate}}=2\pi a^{2}\left(1+{\frac {1-e^{2}}{e}}{\text{artanh}}\,e\right)=2\pi a^{2}+\pi {\frac {c^{2}}{e}}\ln \left({\frac {1+e}{1-e}}\right)\quad }其中e2=1−c2a2{\displaystyle \,e^{2}=1-{\frac {c^{2}}{a^{2}}}}。

扁球面是半长轴为a而半短轴为c的椭圆围绕z-轴旋转而形成的,因此e可看作为离心率。

长球面c > a,它的表面积为:

Sprolate=2πa2(1+caearcsine){\displaystyle S_{\rm {prolate}}=2\pi a^{2}\left(1+{\frac {c}{ae}}\arcsin \,e\right)\qquad }其中e2=1−a2c2{\displaystyle \,e^{2}=1-{\frac {a^{2}}{c^{2}}}}。

长球面是半长轴为c而半短轴为a的椭圆围绕z-轴旋转而形成的,因此e可看作离心率。

體積

類球的體積是43πa2c{\displaystyle {\frac {4}{3}}\pi a^{2}c\,\!}。

曲率

假若,一個類球面被參數化為

σ(β, λ)=(acos⁡βcos⁡λ, acos⁡βsin⁡λ, bsin⁡β){\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}(\beta ,\ \lambda )=(a\cos \beta \cos \lambda ,\ a\cos \beta \sin \lambda ,\ b\sin \beta )\,\!} ;

其中,β{\displaystyle \beta \,\!}是參數緯度(parametric latitude),−π2<β<π2{\displaystyle -{\frac {\pi }{2}}<\beta <{\frac {\pi }{2}}\,\!},λ{\displaystyle \lambda \,\!}是經度,−π<λ<+π{\displaystyle -\pi <\lambda <+\pi \,\!}。

那麼,類球面的高斯曲率(Gaussian curvature)是

K(β,λ)=b2(a2+(b2−a2)cos2⁡β)2{\displaystyle K(\beta ,\lambda )={b^{2} \over (a^{2}+(b^{2}-a^{2})\cos ^{2}\beta )^{2}}\,\!}。

類球面的平均曲率(mean curvature)是

H(β,λ)=b(2a2+(b2−a2)cos2⁡β)2a(a2+(b2−a2)cos2⁡β)3/2{\displaystyle H(\beta ,\lambda )={b(2a^{2}+(b^{2}-a^{2})\cos ^{2}\beta ) \over 2a(a^{2}+(b^{2}-a^{2})\cos ^{2}\beta )^{3/2}}\,\!}。

對於類球面,這兩種曲率永遠是正值的。所以,類球面的每一點都是橢圓的。

參閱

  • 皮埃爾·莫佩爾蒂
  • 橢球體
  • 卵形體(ovoid)
  • 長球面坐標系
  • 扁球面坐標系

引用

  1. A derivation of this result may be found at Weisstein, Eric W. (编). Oblate Spheroid. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. [24 June 2014]. (原始内容存档于2018-01-24) (英语). 
  2. A derivation of this result may be found at Weisstein, Eric W. (编). Prolate Spheroid. at MathWorld--A Wolfram Web Resource. Wolfram Research, Inc. [24 June 2014]. (原始内容存档于2019-10-21) (英语). 

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