学习完 Fubini定理 和 积分变量替换 之后,基本就可以求解这个问题了。
问题
记
B1BRωnIn={x∈Rn:∣x∣<1},n维单位球={x∈Rn:∣x∣<R},n维半径为R的球=V(B1)=∫B11dx,n维球的体积=∫02πcosnθdθ,过程量
求解 ωn 的表达式。
步骤
按照周老师的证明步骤进行证明,将证明分为以下三步:
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ωn+1=2ωnIn+1,Fubini定理
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In+1=n+1nIn−1,分部积分公式
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ωn=nΓ(2n)2π2n,数列递推公式
其中 Γ(⋅) 为 Gamma函数。
证明
第一步
由 积分变量替换 知,n 为空间上 BR=RnB1。
利用 Fubini 定理,将 n+1 维积分转化为 n 维和 1 维积分。
ωn+1=x12+x22+⋯+xn+12⩽1∫1dx1dx2⋯dxn+1=∫−11{∫x12+x22+⋯+xn2⩽1−xn+121dx1⋯dxn}dxn+1=2∫01B1−xn+12dxn+1=2ωn∫01(1−xn+12)2ndxn+1xn+1=sinθ2ωn∫02π(cos2θ)2ndsinθ=2ωn∫02πcosn+1θdθ=2ωnIn+1
第二步
In+1⇒In+1=∫02πcosn+1θdθ=∫02πcosnθdsinθ=cosnθsinθ∣∣∣∣∣02π−∫02πsinθ⋅ncosn−1θ⋅(−sinθ)dθ=n∫02πsin2θcosn−1θdθ=n∫02π(1−cos2θ)cosn−1θdθ=n∫02πcosn−1dθ−n∫02πcosn+1θdθ=nIn−1−nIn+1=n+1nIn−1
第三步
由第二步结论 In+1=n+1nIn−1,对 n 分奇偶讨论:
I2n+1I2n=2n+12n⋅2n−12n−2⋯32I1=(2n+1)!!(2n)!!=2n2n−1⋅2n−22n−3⋯21I0=(2n)!!(2n−1)!!⋅2π
于是,由第一步结论 ωn+1=2ωnIn+1,得
ω2n+1=2ω2nI2n+1=22⋅I2n+1I2nω2n−1=23⋅I2n+1I2nI2n−1ω2n−2 ⋮=22nI2n+1I2n⋯I2ω1
其中 ω1 就是一维单位球体积,一维是一条线,则 B1 就是一条长度为 2 的线段,所以 ω1=2,则
22n+1ω2n+1=I2n+1I2n⋯I2=(I2n+1I2n−1⋯I3)(I2nI2n−2⋯I2)=((2n+1)!!(2n)!!⋅(2n−1)!!(2n−2)!!⋯5!!4!!⋅3!!2!!)((2n)!!(2n−1)!!⋅(2n−2)!!(2n−3)!!⋯4!!3!!⋅2!!1!!)(2π)n=(2n+1)!!1⋅(2π)n
故
ω2n+1=(2n+1)!!2(2π)n
再由 ωn=2ωn−1In,得
ω2n=2ω2n−1I2n=2⋅(2n−1)!!2(2π)n−1⋅(2n)!!(2n−1)!!⋅2π=2n(2n−2)(2n−4)⋯4⋅2(2π)n=2n⋅n!(2π)n=n!πn
综上
⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧ω2n=n!πnω2n+1=(2n+1)!!2(2π)n
对目标结论 ωn=nΓ(2n)2π2n,进行验证。
代入 2n,得
ω2n=2nΓ(n)2πn=n⋅(n−1)!πn=n!πn
成立!
再代入 2n+1,得
ω2n+1=(2n+1)Γ(22n+1)2π22n+1=(2n+1)Γ(n+21)2πnπ
利用公式 Γ(x+1)=xΓ(x),得
Γ(n+21)=(n−1+21)Γ(n−1+21)=(n−1+21)(n−2+21)Γ(n−2+21)=…=(n−21)(n−23)… 21 Γ(21)=2n(2n−1)(2n−3)⋯1⋅Γ(21)=2n(2n−1)!!⋅Γ(21)=2n(2n−1)!!π
则
ω2n+1=(2n+1)2n(2n−1)!!π2πnπ=(2n+1)!!2(2π)n
成立!!
综上,原命题得证,n 维单位球的体积公式为
ωn=nΓ(2n)2π2n
计算式
⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧ω2n=n!πnω2n+1=(2n+1)!!2(2π)n
参考
[1]. ωn 部分的递推,参考了 知乎 - n维球的体积
[2]. Gamma函数部分的递推,参考了 Math.StackExchange - Proving that Γ(n+21)=22nn!(2n)!π