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'''極正弦'''（{{lang|en|polar sine}}）是[[正弦函數]]的推廣。
其將正弦函數從原本只能計算[[平面角]]推廣到可以計算[[多胞形]]的[[頂角 (幾何)|頂角]]。
極正弦函數通常記為{{math|'''psin'''}}或{{math|'''polsin'''}}<ref name="Weisstein_polsin">{{cite mathworld |urlname = PolarSine |title = Polar Sine}}</ref>。
不同於一般的正弦，極正弦的[[定義域|輸入值]]並非是角度，而是能代表特定立體角的[[向量]]組。

== 定義 ==
=== {{math|''n''}}維空間的{{math|''n''}}[[向量]] ===
[[File:3dvol.svg|280px|thumb|左側3D體積的解釋：[[平行六面體]]（對應極正弦定義中的<math>\Omega</math>），右側：[[長方體]]（對應極正弦定義中的<math>\Pi</math>）。在更高維度上的解釋是相似的]]
令{{math|'''v'''<sub>1</sub>,&nbsp;...,&nbsp;'''v'''<sub>''n''</sub>}}（{{math|''n''&nbsp;≥&nbsp;1}}）為{{math|''n''}}維空間（{{math|ℝ<sup>''n''</sup>}}）的非零[[向量|歐幾里德向量]]，該向量從平行多胞形的[[頂點 (幾何)|頂點]]定向，形成[[平行六面体#超平行體|平行多胞形]]的邊。則[[頂角]]的極正弦為：<ref name="Weisstein_polsin"/>
:<math> \operatorname{psin}(\mathbf{v}_1,\dots,\mathbf{v}_n) = \frac\Omega\Pi, </math>
其中分子是[[行列式]]：
:<math>\begin{align}
\Omega & = \det\begin{bmatrix}\mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix} =
\begin{vmatrix}
v_{11} & v_{21} & \cdots & v_{n1} \\
v_{12} & v_{22} & \cdots & v_{n2} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
v_{1n} & v_{2n} & \cdots & v_{nn} \\
\end{vmatrix}
\end{align}\,,</math>
其等價於具有向量邊的平行多胞形的有符號[[超體積]]<ref>{{cite journal| doi=10.1016/j.jat.2008.03.005 | volume=156 | title=  On d-dimensional d-semimetrics and simplex-type inequalities for high-dimensional sine functions | year=2009 | journal=Journal of Approximation Theory | pages=52–81 | last1 = Lerman | first1 = Gilad | last2 = Whitehouse | first2 = J. Tyler| arxiv=0805.1430 | s2cid=12794652 }}</ref>。
:<math> \begin{align}
\mathbf{v}_1 &= (v_{11}, v_{12}, \dots, v_{1n})^T \\
\mathbf{v}_2 &= (v_{21}, v_{22}, \dots, v_{2n})^T \\
& \,\,\,\vdots \\
\mathbf{v}_n &= (v_{n1}, v_{n2}, \dots, v_{nn})^T\,, \\
\end{align}</math>
而分母是所有頂角邊長的積：
:<math>\Pi = \prod_{i=1}^n \|\mathbf{v}_i\|</math>
它等於{{math|''n''}}維[[超矩形]]的超體積，其邊等於向量長度{{math|{{!!}}'''v'''<sub>1</sub>{{!!}},&nbsp;{{!!}}'''v'''<sub>2</sub>{{!!}},&nbsp;...&nbsp;{{!!}}'''v'''<sub>''n''</sub>{{!!}}}}，而非向量本身。另見埃里克森的著作。<ref>{{cite journal | last1 = Eriksson | first1 = F | year = 1978 | title = The Law of Sines for Tetrahedra and ''n''-Simplices | journal = Geometriae Dedicata | volume = 7 | pages = 71–80 | doi=10.1007/bf00181352| s2cid = 120391200 }}</ref>

平行多胞形有如「壓扁的超矩形」，因此它的超體積比超矩形小，這意味著（可參閱附圖的3D範例）：
:<math>|\Omega| \leq \Pi \implies \frac{|\Omega|}{\Pi} \leq 1 \implies -1 \leq \operatorname{psin}(\mathbf{v}_1,\dots,\mathbf{v}_n) \leq 1\,,</math>

對於一般的正弦，只有在所有向量相互正交的情況下才能達到其中任一個極值。

在{{math|1=''n''&nbsp;=&nbsp;2}}的情況下，極正弦是兩個向量之間角度的[[正弦函數|普通正弦]]。<ref group=註>令{{math|1=''n''&nbsp;=&nbsp;2}}，此時的極正弦為<math>\operatorname{psin}(\mathbf{v}_1,\mathbf{v}_2) = \frac\Omega\Pi</math>。令角<math>\angle AOB</math>為<math>\theta</math>，角的始邊為<math>\mathbf{v}_1</math>和角的終邊為<math>\mathbf{v}_2</math>，且長度皆為單位長，若<math>\mathbf{v}_1</math>平行於<math>x</math>軸，則向量<math>\mathbf{v}_1</math>為<math>\begin{bmatrix}
1 \\
0 \\
\end{bmatrix}</math>、向量<math>\mathbf{v}_2</math>為<math>\begin{bmatrix}
\cos\theta \\
\sin\theta \\
\end{bmatrix}</math>。則有<math>\begin{align}
\Omega & = \det\begin{bmatrix}\mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 \end{bmatrix} =
\begin{vmatrix}
1 & \cos\theta \\
0 & \sin\theta \\
\end{vmatrix}
\end{align}\,,</math>並且，<math>\Pi = \prod_{i=1}^2 \|\mathbf{v}_i\|=\|\mathbf{v}_1\|\dot\|\mathbf{v}_2\|=\sqrt{\cos^2\theta+\sin^2\theta}\sqrt{1^2+0^2}=1</math>，則極正弦為<math>\operatorname{psin}(\mathbf{v}_1,\mathbf{v}_2) = \frac\Omega\Pi = \frac{\begin{vmatrix}
1 & \cos\theta \\
0 & \sin\theta \\
\end{vmatrix}}1 = \frac{\sin\theta}1=\sin\theta</math>，因此得到<math>\operatorname{psin}</math>在二維空間中與<math>\sin</math>無異。</ref>

=== {{math|''n''}}維角 ===
如果一個{{math|''n''}}維角有一個以該角之頂點為中心的{{math|''n''}}維球體，則從該角之頂點射出的{{math|''n''}}條射線會與該{{math|''n''}}維球體交於{{math|''n''}}個點，這些{{math|''n''}}個點在{{math|''n''}}維球體表面的{{math|(''n''−1)}}維球面空間中形成單純形。此時將這個球面空間中單純形的極正弦定義為該單純形對應之對角的極正弦值。對於{{math|''n''}}維球面的單純形{{math|''S''}}，如果頂點{{math|''V''<sub>''i''</sub>}}和{{math|''V''<sub>''j''</sub>}}之間的邊長為{{math|''E''<sub>''ij''</sub>}}，則其在高斯曲率{{math|''K'' > 0}}之空間中的極正弦值由下式給出：<ref name="Weisstein_polsin"/>
:<math> \operatorname{psin}^2\left(S\right) = \begin{vmatrix}
1 & \cos E_{01}\sqrt K & \cos E_{02}\sqrt K & \cdots & E_{0n}\sqrt K \\
\cos E_{10}\sqrt K & 1 & \cos E_{12}\sqrt K & \cdots & E_{1n}\sqrt K \\
\cos E_{20}\sqrt K & \cos E_{21}\sqrt K & 1 & \cdots & E_{2n}\sqrt K \\
\vdots & \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
\cos E_{n0}\sqrt K & \cos E_{n1}\sqrt K & \cos E_{n2}\sqrt K & \cdots & 1
\end{vmatrix}</math>

=== 高維空間 ===
可以使用[[格拉姆行列式]]定義適用於任何{{math|''m''}}維空間的非負極正弦。此時，分子為：
:<math>
\Omega  = \sqrt{\det \left(\begin{bmatrix}\mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix}^T
\begin{bmatrix}\mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix} \right)} \,,
</math>
其中，上標的{{math|''T''}}代表矩陣的[[轉置]]。只有當{{math|''m'' ≥ ''n''}}時，該值才可能非零。在{{math|1=''m'' = ''n''}} 的情況下，這相當於前面給出的定義之絕對值。在{{math|''m'' < ''n''}}退化的情況中，行列式將是[[奇異矩陣|奇異{{math|''n'' × ''n''}}矩陣]]，得到{{math|1=''Ω'' = 0}}，因為此時在{{math|''m''}}維空間中不可能有{{math|''n''}}個線性獨立向量。

== 性質 ==
=== 向量互換 ===
由於行列式交換行的反對稱性，因此只要兩個向量互換，極正弦就會正負變號；不過，極正弦的絕對值並不會因此改變。
:<math>\begin{align} 
\Omega & = \det\begin{bmatrix}\mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 & \cdots & \mathbf{v}_i & \cdots & \mathbf{v}_j & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix} \\
& = -\!\det\begin{bmatrix}\mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 & \cdots & \mathbf{v}_j & \cdots & \mathbf{v}_i & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix} \\
& = -\Omega
\end{align}</math>
=== 向量與純量乘法的不變性 ===
如果將代入極正弦的所有向量{{math|'''v'''<sub>1</sub>,&nbsp;...,&nbsp;'''v'''<sub>''n''</sub>}}皆乘以一個純量的常數{{math|''c<sub>i</sub>''}}，則由於因式分解，極正弦的值不會改變。
:<math> \begin{align} 
\operatorname{psin}(c_1 \mathbf{v}_1,\dots, c_n \mathbf{v}_n) & = \frac{\det\begin{bmatrix}c_1\mathbf{v}_1 & c_2\mathbf{v}_2 & \cdots & c_n\mathbf{v}_n \end{bmatrix}}{\prod_{i=1}^n \|c_i \mathbf{v}_i\|} \\[6pt]
& = \frac{\prod_{i=1}^n c_i}{\prod_{i=1}^n |c_i|} \cdot \frac{\det\begin{bmatrix} \mathbf{v}_1 & \mathbf{v}_2 & \cdots & \mathbf{v}_n \end{bmatrix}}{\prod_{i=1}^n \|\mathbf{v}_i\|} \\[6pt]
& = \operatorname{psin}(\mathbf{v}_1,\dots, \mathbf{v}_n).
\end{align}</math>
如果有奇數個常數為負值，則極正弦的值會正負變號，但絕對值仍然會維持不變。

=== 非線性獨立的情況 ===
如果向量不是線性獨立的，則極正弦值為零。而在維數{{math|''m''}}嚴格小於向量數{{math|''n''}}的[[退化 (數學)|退化]]情況下，則極正弦也為零。

=== 與對應的餘弦之關係 ===
兩個非零向量之間的角度之餘弦值由下式給出：
:<math>\cos(\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2) = \frac{\mathbf{v}_1 \cdot \mathbf{v}_2}{\|\mathbf{v}_1\| \|\mathbf{v}_2\|}\,</math>
其使用了[[点积]]和向量長的乘積。將此式與上面給出的極正弦絕對值的定義進行比較，可以得到：
:<math>\left|\operatorname{psin}(\mathbf{v}_1, \ldots, \mathbf{v}_n)\right|^2
= \det\!\left[\begin{matrix}
1 & \cos(\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2) & \cdots & \cos(\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_n) \\
\cos(\mathbf{v}_2, \mathbf{v}_1) & 1 & \cdots & \cos(\mathbf{v}_2, \mathbf{v}_n) \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
\cos(\mathbf{v}_n, \mathbf{v}_1) & \cos(\mathbf{v}_n, \mathbf{v}_2) & \cdots & 1 \\
\end{matrix}\right].</math>
特別是對於維數{{math|1=''n'' = 2}}時，其等價於：
:<math>\sin^2(\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2) = 1 - \cos^2(\mathbf{v}_1, \mathbf{v}_2)\,,</math>
即[[勾股定理]]。

== 歷史 ==
歐拉在18世紀時研究了極正弦。<ref>{{cite journal | last1 = Euler | first1 = Leonhard | title = De mensura angulorum solidorum | journal = Leonhardi Euleri Opera Omnia | volume = 26 | pages = 204–223 }}</ref>

== 參見 ==
*[[三角函數]]
*[[三角恆等式]]
*[[立體角]]

== 註釋 ==
{{Reflist|group=註}}

== 參考文獻 ==
{{Reflist}}

== 外部連結 ==
* {{MathWorld | urlname=PolarSine}}

{{三角函數}}

[[Category:多胞形]]
[[Category:三角学]]