n-sphère
En géométrie, la sphère de dimension n, l'hypersphère ou n-sphère est une généralisation de la sphère à un espace euclidien de dimension quelconque. L'hypersphère constitue un des exemples les plus simples de variété, elle est plus précisément une hypersurface de l'espace euclidien , notée en général .

Définition
modifierSoient E un espace euclidien de dimension n + 1, A un point de E, et R un nombre réel strictement positif. On appelle hypersphère de centre A et de rayon R l'ensemble des points M dont la distance à A vaut R.
Étant donné un repère affine orthonormé, quitte à effectuer une translation, ce qui ne change rien aux propriétés géométriques, il est possible de se ramener à une hypersphère centrée en l'origine, dont l'équation s'écrit alors
- .
Par exemple :
- pour le cas n = 0, l'hypersphère est constituée de deux points d'abscisses respectives R et –R ;
- pour le cas n = 1, l'hypersphère est un cercle ;
- pour le cas n = 2, l'hypersphère est une sphère au sens usuel.
(Pour un paramétrage de l'hypersurface ainsi définie, voir « Coordonnées hypersphériques ».)
Propriétés
modifierVolume
modifierLe volume (ou, plus précisément, la mesure de Lebesgue) de l'espace délimité par une hypersphère de dimension et de rayon , qui est une boule euclidienne de dimension n, vaut :
- ,
où désigne la fonction gamma. En particulier, on a :
| n pair | n impair | |
|---|---|---|
Le tableau suivant donne les valeurs du volume des 8 premières boules de dimension n et de rayon 1 :
| n | Valeur du volume | |
|---|---|---|
| exacte | approchée | |
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
| 5 | ||
| 6 | ||
| 7 | ||
| 8 | ||
Propriétés de ce volume
modifier- Le volume de la boule unité est maximal pour . Pour le volume est décroissant quand croit et sa limite à l'infini est nulle :
- .
- Le rapport entre le volume de l''hypercube circonscrit à la boule unité (de côté 2) et celui de cette boule, , tend vers l'infini en croissant.
- De même, le rapport entre le volume de la boule unité et celui de l'hypercube inscrit (de côté ) , , tend vers l'infini en croissant.
- Si l'on fait varier dans les réels, le maximum de est obtenu pour , où est la fonction digamma, soit (
A074455) et le volume correspondant vaut environ (
A074454)[1].
Aire
modifierL'aire de l'hypersphère de dimension n−1 et de rayon R peut être déterminée en prenant la dérivée par rapport au rayon R du volume Vn :
- .
- .
| n pair | n impair | |
|---|---|---|
La n-sphère unité a donc pour aire :
Le tableau suivant donne les valeurs de l'aire des 7 premières n-sphères de rayon 1 :
| n | Aire de | |
|---|---|---|
| exacte | approchée | |
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
| 5 | ||
| 6 | ||
| 7 | ||
L'aire de la n-sphère unité est maximale pour n = 6. Pour n > 6, l'aire est décroissante quand n augmente et sa limite à l'infini est nulle :
- .
Références
modifier- ↑ David Wells (trad. de l'anglais), Le dictionnaire Penguin des nombres curieux, Paris, Eyrolles, , 237 p. (ISBN 2-212-03636-1), p. 68