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
x 2 a 2 + y 2 b 2 + z 2 c 2 = 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:
x 2 + y 2 a 2 + z 2 c 2 = 1 {\displaystyle {\frac {x^{2}+y^{2}}{a^{2}}}+{\frac {z^{2}}{c^{2}}}=1} 。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:
S o b l a t e = 2 π a 2 ( 1 + 1 − e 2 e artanh e ) = 2 π a 2 + π c 2 e ln ( 1 + e 1 − 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e 2 = 1 − c 2 a 2 {\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:
S p r o l a t e = 2 π a 2 ( 1 + c a e arcsin e ) {\displaystyle S_{\rm {prolate}}=2\pi a^{2}\left(1+{\frac {c}{ae}}\arcsin \,e\right)\qquad } 其中e 2 = 1 − a 2 c 2 {\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4 3 π a 2 c {\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 ) = ( a cos β cos λ , a cos β sin λ , b sin 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 ),− π 2 < β < π 2 {\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 ) = b 2 ( a 2 + ( b 2 − a 2 ) cos 2 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 ( 2 a 2 + ( b 2 − a 2 ) cos 2 β ) 2 a ( a 2 + ( b 2 − a 2 ) cos 2 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 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) . 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) .