Сфе́ра (від грец.σφαῖρα — куля) — замкнута поверхня, геометричне місце точок рівновіддалених від даної точки, що є центром сфери. Сфера є окремим випадком еліпсоїда, у якого всі три півосі однакові.
Відрізок, що сполучає центр сфери з її точкою, а також його довжина, називається радіусом; відрізок, що сполучає дві точки сфери — хордою; хорда, що проходить через центр сфери називається її діаметром. Сферу можна розглядати також як поверхню обертання півкола навколо його діаметра. Частина простору, яка обмежена сферою і містить її центр, називається кулею. Переріз сфери довільною площиною є коло. Воно називається великим, коли площина проходить через центр сфери, всі інші перерізи є малими колами.
У сфери найменша площа поверхні з-поміж всіх тіл, що замикають даний об'єм, та найбільший замкнений об'єм при даній площі поверхні. З цієї причини, сфера часто зустрічається у природі: краплі води в невагомості, планети, глобули і т.ін.
Площину (пряму), яка має зі сферою тільки одну спільну точку, називають дотичною площиною (прямою) до сфери. Якщо дві сфери мають тільки одну спільну точку, говорять, що вони дотикаються в цій точці.
У аналітичній геометрії сфера у декартовій системі координат з координатами центру і радіусом є геометричним місцем усіх точок , що описується рівнянням:
Це рівняння відображає факт, що вектори швидкості та координат точки, що рухається по поверхні сфери постійно ортогональні один до одного.
Кривина Гауса для сфери постійна і визначається як .
Коло, яке лежить на сфері так, що центри кола та сфери збігаються, називається великим колом сфери. Великі кола є геодезичними лініями на сфері; будь-які дві з них перетинаються в двох точках. Іншими словами, великі кола сфери є аналогами прямих на площині. Відстань між точками на сфері визначається як довжина дуги великого кола, що проходить через задані точки. Куту між прямими на площині відповідає двогранний кут між площинами великих кіл. Багато теорем геометрії на площині мають місце і в сферичної геометрії, існують аналоги теореми синусів, теореми косинусів для сферичних трикутників. У той же час, існує чимало відмінностей, наприклад, в сферичному трикутнику сума кутів завжди більше градусів, до трьох ознак рівності трикутників додається четверта — їх рівність по трьох кутах, у сферичного трикутника може бути два і навіть три прямих кута - наприклад, у сферичного трикутника , утвореного екватором і двома меридіанами та .
В тривимірному просторі, об'єм всередині сфери (який є об'ємом кулі) є:
де — це радіус сфери. Архімед вперше вивів цю формулу, коли показав, що об'єм всередині сфери в два рази більший за різницю в об'ємах всередині сфери та всередині описаногоциліндра (у якого висота та діаметр дорівнюють діаметру сфери).[1] Це твердження можна отримати з принципу Кавал'єрі. Ця формула також може бути отримана за допомогою інтегрального обчислення.
При кожному заданому інкрементний об'єм () дорівнює добутку площі поперечного перерізу круга при і його товщині ():
Повний об'єм дорівнює сумі всіх інкрементних об'ємів:
Для границі функції, коли δx наближається до нуля[2] це рівняння набуває вигляду:
Це може бути обчислене, щоб отримати наступний результат:
Альтернативно, ця формула може бути знайдена з використанням сферичних координат, з елементом об'єму[en]
і таким чином:
Для більшості практичних цілей, об'єм всередині сфери, вписаної в куб, може бути наближене до об'єму куба через те, що , де є діаметром сфери і в той же час довжиною сторони куба і . Наприклад, сфера діаметру метр має об'єму куба з довжиною ребра метр, або близько м3.
Архімед вперше отримав цю формулу[3] з того факту, що проєкція на бічну поверхню описаного циліндра зберігає площу.[4] Інший спосіб отримати цю формулу — це взяти похідну від формули об'єму по , бо об'єм всередині сфери радіусу може розглядатись як сума нескінченної кількості сферичних оболонок нескінченно малої товщини, де кожна наступна впритул «обгортає» попередню, від нульового радіусу до радіусу . Для нескінченно малої товщини різниця між внутрішньою та зовнішньою площами поверхонь для будь-якої оболонки є нескінченно малою, а елемент об'єму[en] на радіусі просто є добутком площі поверхні на радіусі та нескінченно малою товщиною.
Для будь-якого даного радіусу ,[5] приріст об'єму () дорівнює добутку площі поверхні на радіусі () та товщиною обгортки ():
Повний об'єм сфери дорівнює сумі всіх об'ємів оболонок:
Для границі функції, коли наближається до нуля[2] це рівняння набуває вигляду:
Підставимо :
Якщо взяти похідну по з обох боків рівняння, то отримаємо як функцію від :
Для більш детального розгляду, відвідайте елемент площі[en].
Повна площа, таким чином, може бути отримана за допомогою інтегрування:
Картинка однієї з найбільш точних сфер, зроблених людиною, яка заломлює фото Ейнштейна на фоні. Сфера виробництва НАСА з плавленого кварцу для використання в гіроскопі Gravity Probe B. Це одна з найточніших сфер коли-небудь створених людиною, що відрізняються за формою від ідеальної сфери не більше ніж на 40 атомів товщини(менш ніж 10 нанометрів). Вважається, що тільки нейтронні зірки є гладкішими. 1 липня 2008 року було оголошено, що австралійські вчені створили ще більше ідеальних сфер, з точністю до 0.3 нанометрів, як частина міжнародного пошуку нового глобального стандарту кілограм.[6]
Сфера має найменшу площу поверхні з усіх поверхонь, що містять певний об'єм, і містить найбільший об'єм серед усіх закритих поверхонь із заданою площею поверхні. Тому сфера з'являється в природі: наприклад, бульбашки та невеликі краплі води є приблизно сферичними, оскільки поверхневий натяг локально мінімізує площу поверхні.
Площа поверхні відносно маси кульки називається питома поверхня і може бути виражена з вищенаведених рівнянь, як:
Геометрію сфери можна просто описати, представивши її вкладеною в фіктивний чотиривимірний простір:
.
Введенням координат
можна задовольнити , а елементи довжин на поверхні матимуть вигляд (елементарно перевіряється підстановкою)
.
Як видно, метричний тензор має специфічну структуру: є діагональним, перший діагональний елемент рівен одиниці, другий залежить від першої змінної, третій — від першої і другої, а від третьої змінної залежності немає, що, певною мірою, відповідає ізотропії простору.
Виходячи із цього, можна визначити вирази для символів Кристоффеля: маючи загальний вираз
,
де метричний тензор має вигляд
,
для частинних випадків виразів можна отримати
;
;
оскільки, в силу структури метричних тензорів, ;
;
.
Тепер можна спростити (якомога більше зменшити кількість сум) вираз для тензору Річчі: маючи загальне визначення,
,
та вирази ,
для тензора можна отримати (сума лише по індексам )
.
Доведення.
Дійсно, використовуючи вирази , для доданків можна отримати наступні вирази.
Перший доданок:
.
Другий доданок залишається без змін.
Третій доданок:
.
Четвертий доданок:
.
Для двох останніх доданків доведеться повторити цю ж саму процедуру:
,
.
Отже,
.
Додавши вирази для всіх доданків та замінивши німий індекс на , можна отримати .
Тепер можна застосувати спрощений вигляд для тензору Річчі до метрики сферичного простору. Треба обчислити компоненти . Спочатку доведеться отримати, користуючись , явний вигляд для символів Кристоффеля:
,
,
,
,
,
.
Тоді, наприклад, компонента 11 тензора, із урахуванням цих виразів та , має вираз
.
Аналогічні викладки (перевіряються повністю ідентично попередній) дають
.
Отже, для сфери
.
Згортаючи тензор Річчі із метричним тензором (відповідно до визначення скалярної кривини), можна отримати, що для сфери скалярна кривина рівна
.
Отже, сферичний простір — простір з постійною додатньою скалярною кривиною.
Сфера та її рівняння // Вища математика в прикладах і задачах / Клепко В.Ю., Голець В.Л.. — 2-ге видання. — К. : Центр учбової літератури, 2009. — С. 155. — 594 с.
.mw-parser-output .hidden-begin{box-sizing:border-box;width:100%;padding:5px;border:none;font-size:95%}.mw-parser-output .hidden-title{font-weight:bold;line-height:1.6;text-align:left}.mw-parser-output .hidden-content{text-align:left}В іншому мовному розділі є повніша стаття Sphere(англ.). Ви можете допомогти, розширивши поточну статтю за допомогою перекладу з англійської. (травень 2024)
Дивитись автоперекладену версію статті з мови «англійська».
Перекладач повинен розуміти, що відповідальність за кінцевий вміст статті у Вікіпедії несе саме автор редагувань. Онлайн-переклад надається лише як корисний інструмент перегляду вмісту зрозумілою мовою. Не використовуйте невичитаний і невідкоригований машинний переклад у статтях української Вікіпедії!
Машинний переклад Google є корисною відправною точкою для перекладу, але перекладачам необхідно виправляти помилки та підтверджувати точність перекладу, а не просто скопіювати машинний переклад до української Вікіпедії.
Не перекладайте текст, який видається недостовірним або неякісним. Якщо можливо, перевірте текст за посиланнями, поданими в іншомовній статті.
Докладні рекомендації: див. Вікіпедія:Переклад.
This browser is not supported by Wikiwand :( Wikiwand requires a browser with modern capabilities in order to provide you with the best reading experience. Please download and use one of the following browsers:
Your input will affect cover photo selection, along with input from other users.
X
Get ready for Wikiwand 2.0 🎉! the new version arrives on September 1st! Don't want to wait?
Oh no, there's been an error
Please help us solve this error by emailing us at support@wikiwand.com
Let us know what you've done that caused this error, what browser you're using, and whether you have any special extensions/add-ons installed.
Thank you!