n次元超球体の体積
[mathjax] 球面集中現象理解のための数学シリーズ第2弾。 前の記事でデカルト座標->極座標の変換から体積要素の積分により3次元球体の体積を導出してみました。 極座標の3変数(r,phi_1,phi_2)について定積分を計算していくと(frac{4pi r^3}{3})が出てきます! [clink url=\"https://ikuty.com/2019/08/02/concentration_on_the_sphere_1/\"] より高次元の超球体の体積がわかると、超高次元のときに体積が超球体の表面に集中する様が 論理の飛躍なく理解できるらしいので、今回は高次元の超球体の体積を導出するやつを流してみます。 (n)次元空間において以下を満たす点の集合が半径(r)の(n)次元球体です。 (x,y,z...)とやっていくとアルファベットが尽きるので(x_1,x_2,cdots,x_n)とします。 (3次元だとすると、半径が(sqrt{x_1^2+x_2^2+x_3^2}le r)の全ての点。) begin{eqnarray} x_1^2+x_2^2+cdots+x_n^2 le r^2 end{eqnarray} この集合を全部足したものが体積になります。 例えば3次元のとき、前回の記事の通り以下のようになります。ここではデカルト座標(x,y,z)。 極座標変換することで計算ができます。 begin{eqnarray} int_{x^2+y^2+z^2 lt r^2} U(x,y,z) dV &=& int_{0}^{2pi} Biggl( int_{0}^{pi} Bigl( int_{0}^{r} U(r,phi_1,phi_2)r^2 sin(phi_1) dr Bigr) d phi_1 Biggr) dphi_2 \\ &=& frac{4}{3} pi r^3 end{eqnarray} ちなみに2次元球体の体積(つまり円の面積)は当たり前ですが(pi r^2)です。 1次元球体の体積(つまり直線の長さ)は(r)です。 なんとなく(n)次元だと(r)の次数が(n)になりそうですが、 実際そうで(時間がないので公式として使ってしまいます)、 (n)次元の超球体の体積は(r^n)に比例します。 (Vr^n)のようにしておきます。 (n)次元の超球体を輪切りにすることを考えます。 球をどうやって輪切りにしても断面図は真円ですので...。 3次元の球体を輪切りにすると2次元の平面が現れる、というイメージです。 (n)次元の超球面を輪切りにし(n-1)次元の平面を作成し、 (n-1)次の平面と微小距離(Delta r)をかけて(n)次元の直方体を作ります。 微小距離(Delta r)を限りなくゼロに近づけることで体積要素とします。 体積要素は詰まるところ輪切りですが、輪切りなのに(n)次元なのです。 体積要素を全範囲で積分することで体積を求めます。 さて、(x_1^2 + x_2^2 + cdots + x_n^2 = 1)が半径1の単位球です。 これを輪切りにします。(n)次の変数を定数にします。(x_n=t)。 つまり、輪切りは(x_1^2 + x_2^2 + cdot + x_{n-1}^2 = 1-t)。 輪切りの半径は(sqrt{1-t})。(t=0)であれば丁度球体を真っ二つにする感じです。 (t=1)であれば球体のキワの限界で面積がゼロ。 (t)で輪切りにしたあと、(t)を微小距離(t+Delta t)だけ増やします。 その体積は(V_{n-1}(sqrt{(1-t)^{n-1}}) Delta t)。 (Delta t)を限りなくゼロに近づけると真の輪切りに近づき、 それを(r)の全範囲で定積分します。 begin{eqnarray} V_n=int_{-1}^{1} V_{n-1}sqrt{(1-t)^{n-1}} dt end{eqnarray} 球体は真ん中で対照なので、 begin{eqnarray} V_n =2 int_{0}^{1} V_{n-1}sqrt{(1-t)^{n-1}} dt end{eqnarray} 計算してから積分するのと、積分してから計算するのが同じなので、 begin{eqnarray} V_n=2 V_{n-1} int_{0}^{1} sqrt{(1-t)^{n-1}} dt end{eqnarray} 超絶懐かしい置換積分を使うと(int f(x) dx = int f(g(t)) frac{dx}{dt} dt)が出来る。 (t=sintheta)とすると、 begin{eqnarray} V_n= 2 V_{n-1}(int_{0}^{frac{pi}{2}} cos^{n-1}theta cos theta d theta ) end{eqnarray} これどうやって積分するんだよ...、と呆然としてしまうけれども、 公式があるようです。時間がないので公式を使います! 階乗が2つ並んでいるのは1つ飛ばしで階乗をする2重階乗というらしい。 begin{eqnarray} int_{0}^{frac{pi}{2}} sin^n x dx &=& int_{0}^{frac{pi}{2}} sin^{n-1}x sin x dx \\ &=& frac{pi}{2} frac{(n-1)!!}{n!!} end{eqnarray} ちなみに(cos^n x)の積分は(sin^n x)の積分から導かれて以下のようになる。 begin{eqnarray} int_{0}^{frac{pi}{2}} sin^n x dx = int_{0}^{frac{pi}{2}} cos^n x dx = begin{cases} frac{(n-1)!!}{n!!} & nが奇数 \\ frac{pi}{2} frac{(n-1)!!}{n!!} & nが偶数 end{cases} end{eqnarray} 体積の話に戻ると、 begin{eqnarray} V_n = begin{cases} 2V_{n-1}frac{(n-1) (n-3) (n-5) cdots 2}{n (n-2) cdots 3} & nが奇数 \\ pi V_{n-1} frac{(n-1)(n-3)(n-5)cdots 3}{n (n-2) (n-4) cdots 2} & nが偶数 end{cases} end{eqnarray} 偶数のときと奇数のときで別になってしまっているのを1つにしたい。 偶数のとき(n=2k)、奇数のとき(n=2k-1)とおいて、それが等しいとする。 begin{eqnarray} V_{2k-1} &=& 2V_{2k-2} frac{(2k-2)(2k-4)(2k-6)cdots 2}{(2k-1) (2k-3) cdots 3 } \\ V_{2k} &=& pi V_{2k-1} frac{(2k-1)(2k-3)(2k-5)cdots 2}{2k (2k-2)(2k-4) cdots 2} end{eqnarray} 2つの式で(V_{2k-1})が現れるので、それで等式を立てる。 begin{eqnarray} 2V_{2k-2} frac{(2k-2)(2k-4)(2k-6)cdots 2}{(2k-1) (2k-3) cdots 3 } = frac{V_{2k}}{pi} frac{2k (2k-2)(2k-4) cdots 2}{(2k-1)(2k-3)(2k-5)cdots 2} end{eqnarray} ガンガン約分する。 begin{eqnarray} V_{2k} = 2pi V_{2k-2} frac{1}{2k} = frac{pi V_{2k-2}}{k} end{eqnarray} (V_{2k})と(V_{2k-2})の漸化式になっていて、(V_{2k-2})が(V_2)になるまで再帰的に計算する。 begin{eqnarray} V_{2k} = frac{pi^{k-1}}{k!} V_2 = frac{pi^k }{k!} end{eqnarray} 階乗の一般化(ガンマ関数,(n! = Gamma{(n+1)}))を使って書くと、 begin{eqnarray} V_n = frac{pi^{frac{n}{2}}}{Gamma{(frac{pi}{2}+1)}} end{eqnarray} (n)次の超球面の体積が出ました...。 次回、これを使って超高次元でメロンパンの皮が厚いのを示します..。