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111 政治大學微積分(應數三年級)第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數三年級)

111學年度 · 111微積分(應數三年級) · 第 5 題

題目

Problem

5. (10%) Let S={(x,y,z,w)∈R4:x2+y2+z2+w2=1}S = \{(x,y,z,w) \in \mathbb{R}^4 : x^2 + y^2 + z^2 + w^2 = 1\}. Find the volume of SS.

題目勘誤

官方原題:以 x2+y2+z2+w2=1x^2+y^2+z^2+w^2=1 定義 SS,並要求其體積。

實際上應為:依原式,SS 是四維空間中的三維球面,四維體積為 00;若將等號改成 ≤\le,才會是通常所稱的四維單位球,其四維體積為 π2/2\pi^2/2。

本頁保留官方原題,以下按原題的等號條件作答。

解答

解法一

思路

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題設的等號只描述半徑為 11 的三維球面,而不是四維單位球的內部。這種三維超曲面在 R4\mathbb R^4 中少一個維度,因此不含四維體積。

答題過程

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由題設

S={(x,y,z,w)∈R4:x2+y2+z2+w2=1}S=\bigl\{(x,y,z,w)\in\mathbb R^4:x^2+y^2+z^2+w^2=1\bigr\}

可知 SS 是四維空間中的單位 33-sphere,也就是三維球面;它不是由 x2+y2+z2+w2≤1x^2+y^2+z^2+w^2\le1 所給出的四維球體。

球面在所在空間中少一個維度,故其四維 Lebesgue 體積為 00。因此按官方原題:

Vol⁡4(S)=0.\boxed{\operatorname{Vol}_4(S)=0}.