Четвертое измерение

Гиперсфера является эквивалентом сферы в четвертом измерении. Но чтобы дать определение гиперсферы, мы должны понять, что такое сфера. Сфера образована всеми точками, находящимися на одном и том же расстоянии (радиусе) от данной точки (центра). В терминах аналитической геометрии, если О = (0, 0, 0) — координаты центра, а r — радиус, это можно записать следующей формулой:

Кроме того, сфера является двумерной поверхностью.

* * *

ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ N-МЕРНОГО КУБА

С помощью комбинаторики мы можем получить общие формулы для определения количества элементов n-мерного куба. Пусть Е(k,n) обозначает количество k-мерных кубов в n-мерном кубе. Для расчета Е(k,n) мы сначала определим, сколько k-мерных кубов выходит из данной вершины. Если из каждой вершины выходит n ребер, то достаточно посчитать, сколькими способами мы можем выбрать k ребер из n. Это число и будет количеством k-мерных кубов, выходящих из данной вершины. Таким образом, задача свелась к комбинаторике:

где n! является факториалом n, другими словами, n! = n(n — 1)∙(n — 2)…3∙ 2∙1. Так как всего вершин 2n, то общее количество k-мерных кубов равно

Но каждый k-мерный куб имеет 2k вершин. Это значит, что каждый k-мерный куб мы посчитали 2k раз, поэтому мы разделим результат на это число. Получим

В общем случае количество k-мерных кубов считается так

Можно убедиться, что результаты в приведенной выше таблице согласуются с этой формулой.

* * *

В общем случае для любого (n + 1) — мерного пространства соответствующая n-мерная сфера образуется точками (n + 1) — мерного пространства, которые находятся на одинаковом расстоянии от ее центра. Мы имеем следующую формулу:

В одномерном пространстве 0-мерная сфера с центром в точке 0 и радиусом 1 представляет собой две точки {—1, 1}, как показано на рисунке. На плоскости одномерная сфера является окружностью с центром в начале координат и радиусом 1, а в трехмерном пространстве двумерная сфера будет тем, что мы обычно понимаем под сферой.

N-мерные сферы с радиусом 1 и с центром в начале координат в пространствах размерности (n + 1), где n = 0, 1, 2.

Теперь мы подошли к задаче, как можно визуализировать и лучше представить себе, что такое гиперсфера. Предположим, что пространственное четвертое измерение существует, и мы находимся на огромном поле. Мы смотрим на пятиметровую мачту и хотим представить себе, как выглядит гиперсфера с центром на верхушке мачты и радиусом 5 м. Конечно, можно представить обычную сферу (двумерную) с центром в этой точке и радиусом 5 м (как показано на рисунке ниже), состоящую из точек нашего трехмерного пространства, которые находятся на расстоянии 5 м от центра. Ясно, что эти точки также принадлежат гиперсфере. Но можно ли визуализировать остальные точки гиперсферы, которые не находятся в нашем пространстве? Предположим, что мы переместились на 4 м от центра сферы в любом направлении, а затем — на 3 м в направлении к ана. Это направление, кстати, перпендикулярно к предыдущему. Тогда по теореме Пифагора 3²  + 4² = 5². Другими словами, мы оказались в точке в 5 м от центра, которая, следовательно, принадлежит гиперсфере.

Сфера с центром О и радиусом 5 м является частью гиперсферы, той частью, которая находится в нашей трехмерной вселенной. Если мы отойдем от центра сферы на 4 м, а затем на 3 м в направлении к ана, то окажемся в точке Р, которая будет точкой гиперсферы с радиусом 5.