<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">jamp</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Journal of Applied Mathematics and Physics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2327-4379</issn>
      <issn pub-type="ppub">2327-4352</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/jamp.2026.148155</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">jamp-153388</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Accurate Computation of Activated Volume in Electromagnetic Heating</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes">
          <contrib-id contrib-id-type="orcid">0000-0001-8492-4662</contrib-id>
          <name name-style="western">
            <surname>Wang</surname>
            <given-names>Hongyun</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Seetharaman</surname>
            <given-names>Parthiv</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff2">2</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Foley</surname>
            <given-names>Shannon E.</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff3">3</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Zhou</surname>
            <given-names>Hong</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff4">4</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> Department of Applied Mathematics, University of California, Santa Cruz, CA, USA </aff>
      <aff id="aff2"><label>2</label> Department of Mathematics, California Polytechnic State University, San Luis Obispo, CA, USA </aff>
      <aff id="aff3"><label>3</label> U.S. Department of Defense, Joint Intermediate Force Capabilities Office, Quantico, VA, USA </aff>
      <aff id="aff4"><label>4</label> Department of Applied Mathematics, Naval Postgraduate School, Monterey, CA, USA </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The authors declare no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>10</day>
        <month>08</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>08</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>14</volume>
      <issue>08</issue>
      <fpage>3181</fpage>
      <lpage>3198</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>29</day>
          <month>07</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>22</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>25</day>
          <month>08</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/jamp.2026.148155">https://doi.org/10.4236/jamp.2026.148155</self-uri>
      <abstract>
        <p>In electromagnetic heating and other applications, it is necessary to compute the volume enclosed by an isosurface of the 3D temperature distribution that is numerically represented on a rectangular grid. This situation arises naturally when the temperature distribution is obtained by solving a partial differential equation numerically using a finite difference method. Given the temperature distribution on the 3D grid, the isosurface of a prescribed value is represented approximately by a triangulation, a collection of triangles with vertices on the grid lines. The vertices are determined by a linear interpolation to approximate the locations where the temperature is at the prescribed level. The region enclosed by the isosurface is approximated by that enclosed by the triangulation, which is a set of tetrahedra. The enclosed volume is approximated by summing the contribution of these tetrahedra. This volume approximation is analogous to approximating a curve using line segments and is limited to second-order accuracy. In this study, we combine extrapolation with the triangulation approximation to develop a more accurate method for computing the volume of the region in which the temperature is above a given threshold.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Electromagnetic Heating</kwd>
        <kwd>Skin Activated Volume</kwd>
        <kwd>Isosurface</kwd>
        <kwd>Triangulation</kwd>
        <kwd>Extrapolation</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>In electromagnetic heating of the human body, the skin surface is exposed to millimeter waves (MMW) in the frequency range of 30 - 300 GHz. The millimeter-wave band corresponds to wavelengths between 1 mm at 300 GHz and 10 mm at 30 GHz. MMWs have a wide range of applications [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], including 5G networks [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], detection of explosives [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], and autonomous railway systems [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Given their increasing prevalence, it is important to study the biological effects of MMW exposure on humans. The primary effect of MMW exposure on humans is electromagnetic heating. Skin is a lossy medium. MMW wave is rapidly attenuated during propagation in skin, and the electromagnetic power is absorbed within a thin layer of skin, which becomes a heat source in the skin thermal evolution. When the local temperature reaches the activation threshold, thermal nociceptors at that skin location are activated, inducing a heating sensation. Over an extended duration of MMW exposure, the skin temperature keeps increasing, which activates nociceptors over a larger region and intensifies the induced heating sensation. For the purpose of assessing the induced heating sensation and/or assessing the thermal injury risk, it is necessary to compute the skin volume where the local temperature is at or above a given value. This skin volume corresponds to the region enclosed by the isosurface of the 3D skin temperature at the given level. In this study, we cast this task into a broad mathematical setting and consider the general problem of computing the 3D volume enclosed by an isosurface of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We focus on the practical situation where function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is described only discretely on a 3D rectangular grid. This situation arises naturally in many thermal applications where the temperature distribution is obtained by solving the heat equation numerically on a 3D grid.</p>
      <p>The remainder of the paper is organized as follows. Section 2 presents the mathematical formulation of the method for computing the enclosed volume and for carrying out extrapolation. Section 3 examines the accuracy of the method, respectively, without and with extrapolation, on several test problems in which the exact enclosed volume is known analytically. Section 4 tests the performance of the methods on a simplified case of electromagnetic heating where an idealized skin tissue of uniform material properties is exposed to an axial-symmetric Gaussian beam at perpendicular incidence, and the lateral heat conduction is neglected. In this idealized electromagnetic heating problem, the activated volume can be practically calculated up to machine precision by utilizing the particular axial symmetry in this model problem. Section 5 summarizes the main results of the study.</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Mathematical Formulation</title>
      <p>Consider region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We view it as enclosed by its boundary surface <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a point in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We use the divergence theorem and the fact that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to connect a surface integral to the volume of region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <disp-formula id="FD1">
        <label>(1)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:munder>
              <mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mstyle displaystyle="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mo>∮</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>D</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:msub>
                              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mstyle>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>⋅</mml:mo>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>S</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mstyle displaystyle="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mo>∫</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∇</mml:mo>
                        <mml:mo>⋅</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:msub>
                              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mstyle>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>V</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mrow>
                <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
              </mml:munder>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>divergence theorem</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:munder>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>3</mml:mn>
            <mml:mo>×</mml:mo>
            <mml:mtext>volume</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mi> S </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the vector area element, containing both the magnitude of the area element <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and its outward unit normal direction <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ^ </mml:mo></mml:mover></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> . From (1), we express the volume of region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> in terms of a surface integral over its boundary surface.</p>
      <disp-formula id="FD2">
        <label>(2)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>volume</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>D</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∮</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mstyle>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>ℝ</mml:mi>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the enclosing boundary surface. (2) is valid no matter whether <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is inside or outside region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> or on its boundary surface.</p>
      <p>In electromagnetic heating applications, region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as having temperature at or above a given level. As a result, its boundary surface <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the isosurface of the 3D skin temperature at the given level. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the skin temperature at position <inline-formula><mml:math><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> . We consider the situation where function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is only represented by its values on a 3D rectangular grid. In standard computational packages (such as MATLAB), given a discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a level value, the isosurface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> is approximated by a triangulation representation, a collection of triangular patches, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>.</p>
      <disp-formula id="FD3">
        <label>(3)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:munderover>
              <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                <mml:mo>∑</mml:mo>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>N</mml:mi>
            </mml:munderover>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mi>j</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>≈</mml:mo>
            <mml:munderover>
              <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                <mml:mo>∑</mml:mo>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>j</mml:mi>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>N</mml:mi>
            </mml:munderover>
            <mml:munder>
              <mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>Δ</mml:mtext>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>j</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>j</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>j</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
              </mml:munder>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>planar patch approximation of</mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:munder>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In (3), <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents a small piece of the true curly surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> , </mml:mo><mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a triangular patch approximating <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mi> N </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of patches in the triangulation. The surface integral over <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> is approximated by the sum of integrals over individual patches.</p>
      <disp-formula id="FD4">
        <label>(4)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>≈</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>N</mml:mi>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle displaystyle="true">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∫</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>Δ</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msubsup>
                              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mstyle>
                              <mml:mn>1</mml:mn>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                            </mml:msubsup>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:msubsup>
                              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mstyle>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                            </mml:msubsup>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:msubsup>
                              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mstyle>
                              <mml:mn>3</mml:mn>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mi>j</mml:mi>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                            </mml:msubsup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mtext>d</mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>S</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Each patch is a planar triangle. The integral over a patch has an analytical expression</p>
      <disp-formula id="FD5">
        <label>(5)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>Δ</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>j</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>S</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>j</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:msubsup>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Therefore, the volume of region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> (the region enclosed by surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> ) is approximated by</p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId87.jpeg?20260825033045" />
      </fig>
      <fig id="fig2">
        <label>Figure 2</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId88.jpeg?20260825033045" />
      </fig>
      <p>(a) (b)</p>
      <p><bold>Figure 1.</bold> Top: region enclosed by the triangulation of an isosurface. Bottom: detailed view of a triangle element in the isosurface triangulation.</p>
      <disp-formula id="FD6">
        <label>(6)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:menclose notation="box">
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>≈</mml:mo>
                <mml:munder>
                  <mml:munder>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>6</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:munderover>
                        <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                          <mml:mo>∑</mml:mo>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mo>=</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                      </mml:munderover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:mstyle>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>(</mml:mo>
                                    <mml:mi>j</mml:mi>
                                    <mml:mo>)</mml:mo>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msubsup>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:mstyle>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>×</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:mstyle>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>(</mml:mo>
                                    <mml:mi>j</mml:mi>
                                    <mml:mo>)</mml:mo>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msubsup>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:mstyle>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>⋅</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mi>j</mml:mi>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msubsup>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                  </mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>volume enclosed by the triangulation</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:munder>
                <mml:mo>≡</mml:mo>
                <mml:mi>V</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>Δ</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:menclose>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the volume enclosed by the triangulation of the isosurface based on the discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the grid of mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is used as an approximation to the volume enclosed by the true isosurface, which is not known exactly and has some uncertainty if function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is represented only on a discrete grid. In particular, the notation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> indicates the effect of mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the isosurface triangulation and on the volume approximation explicitly.</p>
      <p>In the triangulation, the true isosurface in the 3D is replaced with a set of planar triangle elements. This is analogous to the situation where a curve in 3D is replaced with a set of line segments, which yields a second-order approximation. Thus, we expect <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to be a second-order approximation of the true volume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> true </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mtext> volume </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <disp-formula id="FD7">
        <label>(7)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>V</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>Δ</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>V</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>true</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>Δ</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>o</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>Δ</mml:mi>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Given the discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a 3D grid of mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we can always down-sample to obtain a coarse representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a grid of mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . From the coarse representation, we construct a coarse triangulation of the isosurface and the corresponding volume approximation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which satisfies</p>
      <disp-formula id="FD8">
        <label>(8)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>V</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>Δ</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>V</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>true</mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mi>Δ</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>o</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>Δ</mml:mi>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In (7), the dominant part of error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . (8) based on the coarse representation, it contains a similar term <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We combine (7) and (8) to eliminate the dominant error <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The result is a more accurate approximation to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> true </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <disp-formula id="FD9">
        <label>(9)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:menclose notation="box">
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>V</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>extrap</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>Δ</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>≡</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                    <mml:mi>V</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>Δ</mml:mi>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>V</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:mi>Δ</mml:mi>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>V</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>true</mml:mtext>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>o</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>Δ</mml:mi>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
              </mml:mrow>
            </mml:menclose>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Mathematically, this is an extrapolation: we are using <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to predict <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the numerical approximation at an infinitesimal mesh spacing.</p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Several Test Problems of Enclosed Volumes with Analytical Solutions</title>
      <p>We study the numerical accuracy of the volume computation method (6) and the extrapolation improvement (9). To examine the true numerical error, we select several test problems in which the volume enclosed by the given isosurface has a closed-form analytical expression. In the discussion below, let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the underlying function, mimicking the role of the 3D skin temperature distribution in the electromagnetic heating problem. Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> be the region enclosed by the isosurface of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at a given value <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . As introduced in the last section, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> volume </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> D </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the true volume of the enclosed region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the numerical volumes of respectively method (6) and method (9) based on a discrete representation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a grid of mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Method (9) is built on method (6) with extrapolation incorporated.</p>
      <p>The true numerical errors, respectively, in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are defined as</p>
      <disp-formula id="FD10">
        <label>(10)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>error</mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mtext>in</mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mi>V</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>Δ</mml:mi>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>V</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>Δ</mml:mi>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>D</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>error</mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:mtext>in</mml:mtext>
                        <mml:mtext>
                           
                        </mml:mtext>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>V</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mtext>extrap</mml:mtext>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>Δ</mml:mi>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>V</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mtext>extrap</mml:mtext>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>Δ</mml:mi>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>D</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <sec id="sec3dot1">
        <title>3.1. The Unit Sphere</title>
        <disp-formula id="FD11">
          <label>(11)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>y</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>z</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>4</mml:mn>
                          <mml:mi>π</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Numerical results for the unit sphere are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>. As predicted in (7), the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximately proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is significantly below that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , demonstrating the benefit of extrapolation. Note that the extrapolation component does not require additional data or information on function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the extrapolation is obtained from down-sampling the given discrete representation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <fig id="fig3">
          <label>Figure 3</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId185.jpeg?20260825033046" />
        </fig>
        <fig id="fig4">
          <label>Figure 4</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId186.jpeg?20260825033046" />
        </fig>
        <p>(a) (b)</p>
        <p><bold>Figure 2.</bold> Left: Triangulation of the unit sphere as an isosurface of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given in (11). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Dashed line is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> serving as a visual guide.</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot2">
        <title>3.2. An Axis-Aligned Ellipsoid</title>
        <disp-formula id="FD12">
          <label>(12)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>Function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>a</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>y</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>b</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>c</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>where</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>4</mml:mn>
                          <mml:mi>π</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref> for the axis-aligned ellipsoid, the volume computation methods show the same behavior as in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>. The error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximately proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is significantly smaller than that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , confirming the second-order accuracy of triangulation and the accuracy improvement of extrapolation.</p>
        <fig id="fig5">
          <label>Figure 5</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId209.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <fig id="fig6">
          <label>Figure 6</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId210.jpeg?20260825033046" />
        </fig>
        <p>(a) (b)</p>
        <p><bold>Figure 3.</bold> Left: Triangulation of the axis-aligned ellipsoid as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (12). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot3">
        <title>3.3. A Rotated Ellipsoid</title>
        <disp-formula id="FD13">
          <label>(13)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>Function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>a</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>b</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>z</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>c</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>where</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable columnalign="left">
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>z</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable columnalign="left">
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>y</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>4</mml:mn>
                          <mml:mi>π</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In (13), matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> is orthogonal, satisfying <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mtext> T </mml:mtext></mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> I </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Geometrically, multiplying by <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> corresponds to rotating the 3D region with respect to the <italic>z</italic>-axis by 45˚ and then rotating it with respect to the <italic>y</italic>-axis by (−30˚). The enclosed region in (13) is congruent to that of Subsection 3.2 via an orthogonal transformation, which preserves the analytical volume.</p>
        <p>The discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a fixed 3D grid, however, varies with the orientation. Accordingly, the corresponding numerical volume based on the discrete representation is expected to be affected. In this sense, the rotated ellipsoid provides a completely new test on the volume computation methods, although the exact volume stays the same. For the rotated ellipsoid, in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>, we observe the same behavior as in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>. The error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is approximately proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is much lower than that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <fig id="fig7">
          <label>Figure 7</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId237.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <fig id="fig8">
          <label>Figure 8</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId238.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <p>(a) (b)</p>
        <p><bold>Figure 4.</bold> Left: Triangulation of the rotated ellipsoid as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (13). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot4">
        <title>3.4. An Axis-Aligned Superellipsoid</title>
        <disp-formula id="FD14">
          <label>(14)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>Function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>[</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mrow>
                                        <mml:mo>(</mml:mo>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:mfrac>
                                            <mml:mi>x</mml:mi>
                                            <mml:mi>a</mml:mi>
                                          </mml:mfrac>
                                        </mml:mrow>
                                        <mml:mo>)</mml:mo>
                                      </mml:mrow>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mfrac>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:msub>
                                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                                            <mml:mn>2</mml:mn>
                                          </mml:msub>
                                        </mml:mrow>
                                      </mml:mfrac>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:msup>
                                  <mml:mo>+</mml:mo>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mrow>
                                        <mml:mo>(</mml:mo>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:mfrac>
                                            <mml:mi>y</mml:mi>
                                            <mml:mi>b</mml:mi>
                                          </mml:mfrac>
                                        </mml:mrow>
                                        <mml:mo>)</mml:mo>
                                      </mml:mrow>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mfrac>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:msub>
                                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                                            <mml:mn>2</mml:mn>
                                          </mml:msub>
                                        </mml:mrow>
                                      </mml:mfrac>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:msup>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>]</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mi>z</mml:mi>
                                    <mml:mi>c</mml:mi>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>where</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>ε</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>ε</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> β </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the beta function defined as</p>
        <disp-formula id="FD15">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>β</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≡</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>b</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The beta function is available in standard software packages.</p>
        <p>The regular ellipsoid (12) is a special case of the superellipsoid (14) at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In the case of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> n </mml:mi></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the enclosed region is described by</p>
        <disp-formula id="FD16">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                        <mml:mi>b</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mi>c</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msup>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>As <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the enclosed region converges to the 3D rectangular prism:</p>
        <disp-formula id="FD17">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>×</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>b</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>×</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>c</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the enclosed superellipsoid is between the regular ellipsoid and the 3D rectangular prism. Indeed, the principal sides of the superellipsoid shown in the left panel of <xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref> are flatter than those of the regular ellipsoid in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>. For the superellipsoid, even with this shape change in the enclosed region, the error trends in volume computation remain the same as in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figures 2-4</xref>. The error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is significantly smaller than that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <fig id="fig9">
          <label>Figure 9</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId273.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <fig id="fig10">
          <label>Figure 10</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId274.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <p>(a) (b)</p>
        <p><bold>Figure 5.</bold> Left: Triangulation of the axis-aligned superellipsoid as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (14). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot5">
        <title>3.5. A Rotated Superellipsoid</title>
        <disp-formula id="FD18">
          <label>(15)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>Function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>[</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mrow>
                                        <mml:mo>(</mml:mo>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:mfrac>
                                            <mml:mover accent="true">
                                              <mml:mi>x</mml:mi>
                                              <mml:mo>˜</mml:mo>
                                            </mml:mover>
                                            <mml:mi>a</mml:mi>
                                          </mml:mfrac>
                                        </mml:mrow>
                                        <mml:mo>)</mml:mo>
                                      </mml:mrow>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mfrac>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:msub>
                                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                                            <mml:mn>2</mml:mn>
                                          </mml:msub>
                                        </mml:mrow>
                                      </mml:mfrac>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:msup>
                                  <mml:mo>+</mml:mo>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mrow>
                                        <mml:mo>(</mml:mo>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:mfrac>
                                            <mml:mover accent="true">
                                              <mml:mi>y</mml:mi>
                                              <mml:mo>˜</mml:mo>
                                            </mml:mover>
                                            <mml:mi>b</mml:mi>
                                          </mml:mfrac>
                                        </mml:mrow>
                                        <mml:mo>)</mml:mo>
                                      </mml:mrow>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mfrac>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:msub>
                                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                                            <mml:mn>2</mml:mn>
                                          </mml:msub>
                                        </mml:mrow>
                                      </mml:mfrac>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:msup>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>]</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mover accent="true">
                                      <mml:mi>z</mml:mi>
                                      <mml:mo>˜</mml:mo>
                                    </mml:mover>
                                    <mml:mi>c</mml:mi>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>ε</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>where</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable columnalign="left">
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>z</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable columnalign="left">
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>y</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>3</mml:mn>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mi>b</mml:mi>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>ε</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msub>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>ε</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>ε</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>ε</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The enclosed region in (15) is congruent to that in (14) of Subsection 3.4 via an orthogonal transformation. In (15), the orthogonal transformation represented by matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the same as that in (13). Similar to what we observed in <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figures 2-5</xref>, <xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref> shows that the errors in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is significantly smaller than that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , demonstrating the steady improvement of extrapolation over several test problems.</p>
        <fig id="fig11">
          <label>Figure 11</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId295.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <fig id="fig12">
          <label>Figure 12</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId296.jpeg?20260825033047" />
        </fig>
        <p>(a) (b)</p>
        <p><bold>Figure 6.</bold> Left: Triangulation of the rotated superellipsoid as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (15). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot6">
        <title>3.6. An Axis-Aligned Elliptic Ring Torus</title>
        <disp-formula id="FD19">
          <label>(16)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>[</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msqrt>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msup>
                                        <mml:mi>x</mml:mi>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msup>
                                      <mml:mo>+</mml:mo>
                                      <mml:msup>
                                        <mml:mi>y</mml:mi>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msup>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:msqrt>
                                  <mml:mo>−</mml:mo>
                                  <mml:mi>R</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>]</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mi>z</mml:mi>
                                    <mml:mi>c</mml:mi>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>where</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0.8</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0.28</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>0.7</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>π</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>A triangulation of the axis-aligned elliptic ring torus is shown in the left panel of <xref ref-type="fig" rid="fig7">Figure 7</xref>. Geometrically, the centerline of the torus is the circle of radius <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> centered at the origin in the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -plane. Perpendicular to the centerline, the cross section of the torus is an ellipse with the semi minor axis <inline-formula><mml:math><mml:mi> r </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the horizontal direction and the semi major axis (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) in the <italic>z</italic>-direction. For the elliptic ring torus in (16), <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> c </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The exact volume of the enclosed region is given by the product of the center line arclength (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> π </mml:mi><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) and the cross-sectional area (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). We use the ring torus as a test problem to examine the error trends in numerical volumes.</p>
        <fig id="fig13">
          <label>Figure 13</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId321.jpeg?20260825033048" />
        </fig>
        <fig id="fig14">
          <label>Figure 14</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId322.jpeg?20260825033048" />
        </fig>
        <p>(a) (b)</p>
        <p><bold>Figure 7.</bold> Left: Triangulation of the axis-aligned elliptic ring torus as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (16). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>Note that numerical volumes are computed from a discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a 3D grid of mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , not using the full analytical expression of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The exact volume is not used in computing numerical volumes; it is used only in evaluating the errors of numerical volumes. The right panel of <xref ref-type="fig" rid="fig7">Figure 7</xref> shows that the errors in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> both decrease with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the latter significantly below the former.</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot7">
        <title>3.7. A Rotated Elliptic Ring Torus</title>
        <disp-formula id="FD20">
          <label>(17)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>[</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msqrt>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msup>
                                        <mml:mover accent="true">
                                          <mml:mi>x</mml:mi>
                                          <mml:mo>˜</mml:mo>
                                        </mml:mover>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msup>
                                      <mml:mo>+</mml:mo>
                                      <mml:msup>
                                        <mml:mover accent="true">
                                          <mml:mi>y</mml:mi>
                                          <mml:mo>˜</mml:mo>
                                        </mml:mover>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msup>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:msqrt>
                                  <mml:mo>−</mml:mo>
                                  <mml:mi>R</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>]</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mover accent="true">
                                      <mml:mi>z</mml:mi>
                                      <mml:mo>˜</mml:mo>
                                    </mml:mover>
                                    <mml:mi>c</mml:mi>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>where</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable columnalign="left">
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>z</mml:mi>
                                  <mml:mo>˜</mml:mo>
                                </mml:mover>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mi>B</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable columnalign="left">
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>y</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr columnalign="left">
                              <mml:mtd columnalign="left">
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>B</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtable>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                            <mml:mtr>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mo>−</mml:mo>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mn>2</mml:mn>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>2</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                              <mml:mtd>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msqrt>
                                        <mml:mn>3</mml:mn>
                                      </mml:msqrt>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mtd>
                            </mml:mtr>
                          </mml:mtable>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0.8</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0.28</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>0.7</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>π</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>c</mml:mi>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In (17), the orthogonal transformation represented by matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> is different from that by matrix A in (13) and (15). If we first rotate the elliptic ring torus about the <italic>z</italic>-axis, due to the axial symmetry of the object, this rotation would not change the object at all. Instead, in (17), the transformation represented by matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> corresponds to rotating the 3D object first with respect to the <italic>y</italic>-axis by (−30˚) and then rotating it with respect to the <italic>z</italic>-axis by 45˚. A triangulation of the rotated elliptic ring torus is shown in the left panel of <xref ref-type="fig" rid="fig8">Figure 8</xref>. The error trends of numerical volumes are plotted in the right panel of <xref ref-type="fig" rid="fig8">Figure 8</xref>. Similar to what we observed in all other test problems, the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is significantly below that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. A Simplified Case of Electromagnetic Heating</title>
      <p>We study the electromagnetic heating of a flat skin by an incident electromagnetic wave of millimeter wavelength. We consider the idealized situation where the incident wave is axially symmetric and is perpendicular to the flat skin surface, as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig9">Figure 9</xref>. We first establish the coordinate system as described in our previous study [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The normal direction of the flat skin surface pointing into the skin tissue is selected as the positive <italic>z</italic>-direction. The skin surface is at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the skin tissue beneath the surface. The center of the incident beam is selected as the origin of the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -plane. In the skin tissue, the 3D coordinates of a point are represented by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <fig id="fig15">
        <label>Figure 15</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId367.jpeg?20260825033049" />
      </fig>
      <fig id="fig16">
        <label>Figure 16</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId368.jpeg?20260825033049" />
      </fig>
      <p>(a) (b)</p>
      <p><bold>Figure 8.</bold> Left: Triangulation of the rotated elliptic ring torus as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (17). Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <fig id="fig17">
        <label>Figure 17</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId377.jpeg?20260825033049" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 9.</bold> The coordinate system in skin electromagnetic heating in the case of flat skin with an incident beam perpendicular to the skin.</p>
      <sec id="sec4dot1">
        <title>4.1. Physical Quantities, Equations, and Non-Dimensionalization</title>
        <p>We introduce the physical quantities and equations used in our model.</p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the skin temperature at position <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at time <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> .<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the mass density, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the specific heat capacity, and <inline-formula><mml:math><mml:mi> k </mml:mi></mml:math></inline-formula> the heat conductivity of skin. In this study, we consider a single layer of uniform skin where all material properties are independent of position <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .The energy balance gives the governing equation for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]:</p>
        <disp-formula id="FD21">
          <label>(18)</label>
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>ρ</mml:mi>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>C</mml:mi>
                      <mml:mi>p</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>rate of change</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>of heat in skin</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:munder>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>net heat influx</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>from conduction</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:munder>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>P</mml:mi>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>μ</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mtext>e</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>μ</mml:mi>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>absorbed power</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>as heat source</mml:mtext>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:munder>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the absorption coefficient of skin for the electromagnetic frequency as the wave propagates in the skin. <inline-formula><mml:math><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> describes the fraction of power absorbed per unit depth as the beam propagates in the skin, which is a lossy medium. The remaining power density at depth <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> is governed by the Beer-Lambert law [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>].</p>
        <disp-formula id="FD22">
          <label>(19)</label>
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>remaining power density at depth</mml:mtext>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>∝</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mtext>e</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>μ</mml:mi>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mi> μ </mml:mi></mml:math></inline-formula> has the physical dimension of 1/[length]. (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) gives the characteristic penetration depth of the electromagnetic frequency, the depth at which the power density is attenuated by a factor of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> e </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ) serves as the depth scale in non-dimensionalization.</p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> P </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the power density passing through the surface into skin tissue. Since skin is a lossy medium (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ), as described in Beer-Lambert law in (19), the remaining power density at depth <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> is virtually zero at large (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). All of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> P </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is converted to heat during the electromagnetic propagation in the skin. The heat production rate per volume at depth <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> P </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> μ </mml:mi><mml:msup><mml:mtext> e </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is the heat source in the skin temperature evolution governed by the 3D heat equation (18).In our simple model, the power density <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> P </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an axially symmetric Gaussian.</p>
        <disp-formula id="FD23">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mi>exp</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>y</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>w</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>P</mml:mi>
                <mml:mi>d</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mi>exp</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>y</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>σ</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> w </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the standard beam radius defined as the distance from the beam center to the location where the power density drops to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> e </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:mn> 13.5 </mml:mn><mml:mtext> % </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the peak value; <inline-formula><mml:math><mml:mi> σ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the RMS (root mean square) beam radius, which is the standard deviation of the Gaussian distribution. These two are related by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> σ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p>In the <italic>z</italic>-direction, the characteristic scale is given by the penetration depth <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mi> s </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mi> μ </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -lateral directions, the characteristic scale is given by the RMS beam radius <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> s </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> σ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In the time direction, the characteristic scale is given by the quantity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> s </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:msup><mml:mi> μ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . With these scales, we carry out non-dimensionalization and recycle the same notations for all non-dimensional functions and variables afterward. The resulting non-dimensional governing equation is:</p>
        <disp-formula id="FD24">
          <label>(20)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>ε</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>P</mml:mi>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mi>exp</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msup>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msup>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:msup>
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msup>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mtext>e</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>governing equation after non-dimensionalization</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mi> s </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> s </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ratio of the penetration depth to the lateral scale [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>].</p>
        <p>In electromagnetic heating applications using millimeter wavelength, the electromagnetic penetration depth is sub-millimeter while the RMS radius of the Gaussian beam is several centimeters [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>]. In these applications, the depth-to-lateral-length ratio satisfies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mo> ≪ </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, the effect of the lateral heat conduction <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ε </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is negligible in comparison with other terms in (20). To the leading order, the governing equation becomes:</p>
        <disp-formula id="FD25">
          <label>(21)</label>
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>P</mml:mi>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mi>exp</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msup>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msup>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:msup>
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msup>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mtext>e</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>simplified non-dimensional equation</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec4dot2">
        <title>4.2. Initial Boundary Value Problem and Its Analytical Solution</title>
        <p>We continue discussing the simplified system governing the skin temperature evolution.</p>
        <p>Before the start of electromagnetic exposure, the skin is in its thermal homeostasis. The homeostatic temperature varies gradually from the core temperature inside skin tissue to a lower temperature at the skin surface. In our simplified model, however, we neglect this spatial variation in homeostatic temperature and assume that skin baseline temperature is a uniform constant <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> base </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the beginning of electromagnetic exposure. This assumption is justified for millimeter wave exposure because the heating is concentrated in a very thin skin layer in which the variation of homeostatic temperature is small. This assumption leads to a simple initial condition.</p>
        <disp-formula id="FD26">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>phy</mml:mtext>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>base</mml:mtext>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtext>phy</mml:mtext>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In non-dimensionalization (20), physical temperature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shifted by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> base </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and normalized by the temperature scale <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> act </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> − </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> base </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> act </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the physical temperature threshold for activating skin thermal nociceptors. Given the physical baseline temperature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> base </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> phy </mml:mtext></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the temperature scale <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the temperature increase needed for skin thermal nociceptor activation. After normalization, the non-dimensional versions of baseline temperature and temperature threshold are</p>
        <disp-formula id="FD27">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>base</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>act</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In homeostasis, the skin loses heat to the environment at its surface via blackbody radiation and convective cooling. However, the rate of heat loss from the skin surface is low. In a high-intensity, short-duration electromagnetic exposure, the rate of electromagnetic energy entering the skin tissue is much greater than the rate of slow heat loss at the skin surface. Thus, we neglect the slow heat loss at the skin surface and assume no heat exchange with the environment there. This assumption leads to a simple boundary condition.</p>
        <disp-formula id="FD28">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The governing system for the evolution of skin temperature consists of a simplified non-dimensional equation and initial and boundary conditions.</p>
        <disp-formula id="FD29">
          <label>(22)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mi>T</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>z</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>P</mml:mi>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mi>exp</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                  <mml:mo>+</mml:mo>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>y</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>e</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>T</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mo>,</mml:mo>
                                    <mml:mi>y</mml:mi>
                                    <mml:mo>,</mml:mo>
                                    <mml:mi>z</mml:mi>
                                    <mml:mo>,</mml:mo>
                                    <mml:mi>t</mml:mi>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>=</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>T</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Note that (22) has three key features: 1) it is linear; 2) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not involve differential variables; and 3) the source term has separate dependences on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and on <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> . These features imply that the skin temperature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has the form</p>
        <disp-formula id="FD30">
          <label>(23)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>P</mml:mi>
                      <mml:mi>d</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mi>exp</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msup>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msup>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:msup>
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msup>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>-dependence</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
              <mml:munder>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>U</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo stretchy="true">︸</mml:mo>
                </mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mtext>-dependence</mml:mtext>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a function of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> only and satisfies</p>
        <disp-formula id="FD31">
          <label>(24)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mi>U</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>∂</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>z</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>e</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>U</mml:mi>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>(</mml:mo>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mi>z</mml:mi>
                                    <mml:mo>,</mml:mo>
                                    <mml:mi>t</mml:mi>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mo>)</mml:mo>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>=</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>U</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The solution of IBVP (24) has a closed-form analytical expression [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
        <disp-formula id="FD32">
          <label>(25)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>U</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mtext>e</mml:mtext>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mtext>erfc</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msqrt>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mn>4</mml:mn>
                                  <mml:mi>t</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msqrt>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mtext>e</mml:mtext>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mtext>erfc</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mo>+</mml:mo>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msqrt>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mn>4</mml:mn>
                                  <mml:mi>t</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msqrt>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>e</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>erfc</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mi>z</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msqrt>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mn>4</mml:mn>
                                  <mml:mi>t</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                              </mml:msqrt>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                          <mml:msqrt>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:msqrt>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msqrt>
                            <mml:mi>π</mml:mi>
                          </mml:msqrt>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:msup>
                        <mml:mtext>e</mml:mtext>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:msup>
                                <mml:mi>z</mml:mi>
                                <mml:mn>2</mml:mn>
                              </mml:msup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mn>4</mml:mn>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>≤</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> erfc </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the complementary error function.</p>
        <disp-formula id="FD33">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>erfc</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>s</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                  </mml:msqrt>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>∞</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>exp</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec4dot3">
        <title>4.3. A Test Problem for Skin-Activated Volume</title>
        <p>In this subsection, all quantities are non-dimensional. The activated skin region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> at time <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> is enclosed by the isosurface of skin temperature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at value <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> act </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Using the expression of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (23), we write the activated skin region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> as</p>
        <disp-formula id="FD34">
          <label>(26)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>P</mml:mi>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mi>exp</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                  <mml:mo>+</mml:mo>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>y</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>U</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In this simplified electromagnetic heating problem, the activated region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is axially symmetric. In more realistic electromagnetic heating applications, the electromagnetic beam may be moving relative to the skin, the incident angle may be oblique, or the skin material properties may be inhomogeneous. Under these complex conditions, we no longer have a closed-form analytical solution for skin temperature, which needs to be solved numerically on a 3D grid and in general is not axially symmetric [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. Our volume computation methods are well capable of accommodating this complex situation. It requires only a discrete representation of skin temperature on a 3D grid; no symmetry is assumed. Here we use (26) to construct a non-symmetric problem for testing the accuracy of volume computation. We first find the activated volume of (26). The activated skin region of (26) is</p>
        <disp-formula id="FD35">
          <label>(27)</label>
          <mml:math display="inline">
            <mml:mtable>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mi>D</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>{</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>P</mml:mi>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mi>exp</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                  <mml:mo>+</mml:mo>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>y</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>U</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>≥</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>}</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>{</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>y</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>≤</mml:mo>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mi>log</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>P</mml:mi>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msubsup>
                          <mml:mi>U</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>≤</mml:mo>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                      <mml:mo>≤</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>}</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> z </mml:mi><mml:mi> L </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> P </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> U </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the inverse of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> ↦ </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at fixed <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> . We express the activated skin volume in terms of a single integral.</p>
        <disp-formula id="FD36">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>volume</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>D</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>2</mml:mn>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>z</mml:mi>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>log</mml:mtext>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msubsup>
                          <mml:mi>P</mml:mi>
                          <mml:mi>d</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mn>0</mml:mn>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msubsup>
                        <mml:mi>U</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>z</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>z</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>We solve this integral accurately to machine precision using the composite Simpson’s rule, and use the result to assess the errors in numerical volumes (6) and (9). In the numerical test, we use <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> P </mml:mi><mml:mi> d </mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2.5 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . To test the robustness of the volume computation, we shift the region in the <italic>x</italic>-direction by a <italic>z</italic>-dependent amount. This transformation destroys the axial symmetry while preserving the true volume, which is needed in error assessment. We set the test problem as follows.</p>
        <disp-formula id="FD37">
          <label>(28)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mtable columnalign="left">
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>function</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>P</mml:mi>
                        <mml:mi>d</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mi>exp</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:mrow>
                                        <mml:mo>(</mml:mo>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:mi>x</mml:mi>
                                          <mml:mo>+</mml:mo>
                                          <mml:mn>0.5</mml:mn>
                                          <mml:mi>z</mml:mi>
                                        </mml:mrow>
                                        <mml:mo>)</mml:mo>
                                      </mml:mrow>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                  <mml:mo>+</mml:mo>
                                  <mml:msup>
                                    <mml:mi>y</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msup>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>U</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mstyle>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>enclosed region</mml:mtext>
                      <mml:mo>:</mml:mo>
                      <mml:mi>D</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mo>,</mml:mo>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>|</mml:mo>
                          <mml:mi>f</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mstyle>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mtext>volume</mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>D</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1.29409605751414</mml:mn>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtext>at</mml:mtext>
                          <mml:mtext>
                             
                          </mml:mtext>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>P</mml:mi>
                            <mml:mi>d</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mn>0</mml:mn>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msubsup>
                          <mml:mo>=</mml:mo>
                          <mml:mn>2.5</mml:mn>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>=</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig10">Figure 10</xref> shows a triangulation of the isosurface at the activation temperature threshold (left panel) and the errors in numerical volumes (right panel). The triangulation is based on a coarse grid with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 8 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for illustrative purposes. The activated skin region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> is enclosed by the isosurface and the skin surface (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> z </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). With the <italic>z</italic>-dependent shift in <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> , neither function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (28) nor the region <inline-formula><mml:math><mml:mi> D </mml:mi></mml:math></inline-formula> enclosed by the isosurface is axially symmetric. The volume computation procedure, however, is not impacted at all by the transformation. It uses only a discretization of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on a 3D numerical grid. The errors in numerical volumes behave as expected. The error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; the error in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extrap </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is significantly below that in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. Summary</title>
      <p>In this study, we investigated an accurate and reliable method for computing the activated skin volume in electromagnetic heating when skin is exposed to an incident electromagnetic beam of millimeter wavelength. The activated volume is enclosed by the isosurface of skin temperature at the level of thermal nociceptor activation threshold. Thus, the task of computing the activated volume is cast into a general problem of finding the volume enclosed by an isosurface of an underlying function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Mathematically, the enclosed volume is expressed as a surface integral over the isosurface.</p>
      <fig id="fig18">
        <label>Figure 18</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId557.jpeg?20260825033050" />
      </fig>
      <fig id="fig19">
        <label>Figure 19</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724855-rId558.jpeg?20260825033050" />
      </fig>
      <p>(a) (b)</p>
      <p><bold>Figure 10.</bold>Left: Triangulation of the activated skin region as an isosurface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (28). <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has been transformed to destroy axial symmetry. Right: errors in numerical volumes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> extra </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> vs mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>In many electromagnetic heating applications, the skin temperature is obtained numerically by solving a heat transfer model on a 3D grid. That is, the skin temperature is known only on a 3D grid. With only a discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the corresponding isosurface is obtained approximately using linear interpolation along grid lines of the 3D grid. The resulting approximation of the isosurface is a collection of planar triangle elements. With a triangulation approximation of the isosurface, surface integration is carried out over each planar triangle element, which is analytically given by a triple scalar product. The enclosed volume is obtained by summing over all triple scalar products, each for one planar triangle element of the isosurface.</p>
      <p>The process of approximating a surface using flat triangle elements is analogous to that of approximating a curve using line segments. Both are expected to produce second-order approximations. Given a discrete representation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , a triangulation of the isosurface is constructed, and the enclosed volume is calculated. The dominant error in the numerical volume obtained with mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . From the given fine representation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , a coarse representation with mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is obtained by down-sampling, which does not involve any additional numerical simulations of a 3D heat transfer model. The dominant error in the numerical volume obtained with mesh spacing <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Extrapolation combines these two numerical volumes to eliminate the dominant error. The result of extrapolation is a more accurate approximation to the enclosed volume.</p>
      <p>We evaluated the performance of the two volume computation methods: 1) triangulation only, 2) triangulation plus extrapolation. To accurately assess the errors in numerical volumes, we selected test problems that have closed-form analytical solutions, including a simplified case of skin electromagnetic heating. In all problems tested, we observed that 1) the error in the numerical volume directly from triangulation of isosurface is proportional to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the mesh spacing of the 3D grid in the given discrete representation of function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> x </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ; and 2) the error in the numerical volume from triangulation plus extrapolation is much smaller than that in the triangulation-only volume, clearly demonstrating that extrapolation consistently improves the accuracy across all test cases.</p>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>Acknowledgement</title>
      <p>The authors acknowledge the Joint Intermediate Force Capabilities Office of the U.S. Department of Defense and the Naval Postgraduate School for supporting this work.</p>
    </sec>
    <sec id="sec7">
      <title>Disclaimer</title>
      <p>The views expressed in this document are those of the authors and do not reflect the official policy or position of the Department of Defense or the U.S. Government.</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Romanenko, S., Begley, R., Harvey, A.R., Hool, L. and Wallace, V.P. (2017) The Interaction between Electromagnetic Fields at Megahertz, Gigahertz and Terahertz Frequencies with Cells, Tissues and Organisms: Risks and Potential. <italic>Journal of the Royal Society Interface</italic>, 14, Article ID: 20170585. https://doi.org/10.1098/rsif.2017.0585 <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsif.2017.0585</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">29212756</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1098/rsif.2017.0585">https://doi.org/10.1098/rsif.2017.0585</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Romanenko, S.</string-name>
              <string-name>Begley, R.</string-name>
              <string-name>Harvey, A.R.</string-name>
              <string-name>Hool, L.</string-name>
              <string-name>Wallace, V.P.</string-name>
              <string-name>Megahertz, G</string-name>
              <string-name>Cells, T</string-name>
            </person-group>
            <year>2017</year>
            <article-title>The Interaction between Electromagnetic Fields at Megahertz, Gigahertz and Terahertz Frequencies with Cells, Tissues and Organisms: Risks and Potential</article-title>
            <source>Journal of the Royal Society Interface</source>
            <volume>14</volume>
            <fpage>201705</fpage>
            <elocation-id>ID</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsif.2017.0585</pub-id>
            <pub-id pub-id-type="pmid">29212756</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Zhadobov, M., Chahat, N., Sauleau, R., Le Quement, C. and Le Drean, Y. (2011) Millimeter-Wave Interactions with the Human Body: State of Knowledge and Recent Advances. <italic>International Journal of Microwave and Wireless Technologies</italic>, 3, 237-247. https://doi.org/10.1017/s1759078711000122 <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s1759078711000122</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1017/s1759078711000122">https://doi.org/10.1017/s1759078711000122</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Zhadobov, M.</string-name>
              <string-name>Chahat, N.</string-name>
              <string-name>Sauleau, R.</string-name>
              <string-name>Quement, C.</string-name>
              <string-name>Drean, Y.</string-name>
            </person-group>
            <year>2011</year>
            <article-title>Millimeter-Wave Interactions with the Human Body: State of Knowledge and Recent Advances</article-title>
            <source>International Journal of Microwave and Wireless Technologies</source>
            <volume>3</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s1759078711000122</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Le Quément, C., Nicolaz, C.N., Habauzit, D., Zhadobov, M., Sauleau, R. and Le Dréan, Y. (2014) Impact of 60-GHz Millimeter Waves and Corresponding Heat Effect on Endoplasmic Reticulum Stress Sensor Gene Expression. <italic>Bioelectromagnetics</italic>, 35, 444-451. https://doi.org/10.1002/bem.21864 <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/bem.21864</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25099539</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1002/bem.21864">https://doi.org/10.1002/bem.21864</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Nicolaz, C.N.</string-name>
              <string-name>Habauzit, D.</string-name>
              <string-name>Zhadobov, M.</string-name>
              <string-name>Sauleau, R.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>Impact of 60-GHz Millimeter Waves and Corresponding Heat Effect on Endoplasmic Reticulum Stress Sensor Gene Expression</article-title>
            <source>Bioelectromagnetics</source>
            <volume>35</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/bem.21864</pub-id>
            <pub-id pub-id-type="pmid">25099539</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Mason, P.A., Walters, T.J., Nelson, M.T. and Nelson, D.A. (2000) Skin Heating Effects of Millimeter-Wave Irradiation-Thermal Modeling Results. <italic>IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques</italic>, 48, 2111-2120. https://doi.org/10.1109/22.884202 <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/22.884202</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1109/22.884202">https://doi.org/10.1109/22.884202</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Mason, P.A.</string-name>
              <string-name>Walters, T.J.</string-name>
              <string-name>Nelson, M.T.</string-name>
              <string-name>Nelson, D.A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2000</year>
            <article-title>Skin Heating Effects of Millimeter-Wave Irradiation-Thermal Modeling Results</article-title>
            <source>IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques</source>
            <volume>48</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/22.884202</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Foster, K.R., Zhang, H. and Osepchuk, J.M. (2010) Thermal Response of Tissues to Millimeter Waves: Implications for Setting Exposure Guidelines. <italic>Health Physics</italic>, 99, 806-810. https://doi.org/10.1097/hp.0b013e3181db29e6 <pub-id pub-id-type="doi">10.1097/hp.0b013e3181db29e6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21068599</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1097/hp.0b013e3181db29e6">https://doi.org/10.1097/hp.0b013e3181db29e6</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Foster, K.R.</string-name>
              <string-name>Zhang, H.</string-name>
              <string-name>Osepchuk, J.M.</string-name>
            </person-group>
            <year>2010</year>
            <article-title>Thermal Response of Tissues to Millimeter Waves: Implications for Setting Exposure Guidelines</article-title>
            <source>Health Physics</source>
            <volume>99</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1097/hp.0b013e3181db29e6</pub-id>
            <pub-id pub-id-type="pmid">21068599</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Cazares, S., Snyder, J.A., Belanich, J., Biddle, J., Buytendyk, A., Teng, S.H., <italic>et al</italic>. (2019) Active Denial Technology Computational Human Effects End-to-End Hypermodel (ADT CHEETEH). <italic>Human Factors and Mechanical Engineering for Defense and Safety</italic>, 3, Article No. 13. https://doi.org/10.1007/s41314-019-0023-7 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s41314-019-0023-7</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s41314-019-0023-7">https://doi.org/10.1007/s41314-019-0023-7</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Cazares, S.</string-name>
              <string-name>Snyder, J.A.</string-name>
              <string-name>Belanich, J.</string-name>
              <string-name>Biddle, J.</string-name>
              <string-name>Buytendyk, A.</string-name>
              <string-name>Teng, S.H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2019</year>
            <article-title>Active Denial Technology Computational Human Effects End-to-End Hypermodel (ADT CHEETEH)</article-title>
            <source>Human Factors and Mechanical Engineering for Defense and Safety</source>
            <volume>3</volume>
            <elocation-id>No</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s41314-019-0023-7</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Topfer, F. and Oberhammer, J. (2015) Millimeter-Wave Tissue Diagnosis: The Most Promising Fields for Medical Applications. <italic>IEEE Microwave Magazine</italic>, 16, 97-113. https://doi.org/10.1109/mmm.2015.2394020 <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/mmm.2015.2394020</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1109/mmm.2015.2394020">https://doi.org/10.1109/mmm.2015.2394020</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Topfer, F.</string-name>
              <string-name>Oberhammer, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2015</year>
            <article-title>Millimeter-Wave Tissue Diagnosis: The Most Promising Fields for Medical Applications</article-title>
            <source>IEEE Microwave Magazine</source>
            <volume>16</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/mmm.2015.2394020</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Srivastava, A., Gupta, M.S. and Kaur, G. (2020) Energy Efficient Transmission Trends Towards Future Green Cognitive Radio Networks (5G): Progress, Taxonomy and Open Challenges. <italic>Journal of Network and Computer Applications</italic>, 168, Article ID: 102760. https://doi.org/10.1016/j.jnca.2020.102760 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jnca.2020.102760</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jnca.2020.102760">https://doi.org/10.1016/j.jnca.2020.102760</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Srivastava, A.</string-name>
              <string-name>Gupta, M.S.</string-name>
              <string-name>Kaur, G.</string-name>
              <string-name>Progress, T</string-name>
            </person-group>
            <year>2020</year>
            <article-title>Energy Efficient Transmission Trends Towards Future Green Cognitive Radio Networks (5G): Progress, Taxonomy and Open Challenges</article-title>
            <source>Journal of Network and Computer Applications</source>
            <volume>168</volume>
            <fpage>102760</fpage>
            <elocation-id>ID</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jnca.2020.102760</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Sheen, D.M., McMakin, D.L. and Hall, T.E. (2007) Detection of Explosives by Millimeter-Wave Imaging. In: Yinon, J., Ed., <italic>Counterterrorist Detection Techniques of Exp</italic><italic>losives</italic>, Elsevier, 237-277. https://doi.org/10.1016/b978-044452204-7/50028-6 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/b978-044452204-7/50028-6</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/b978-044452204-7/50028-6">https://doi.org/10.1016/b978-044452204-7/50028-6</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Sheen, D.M.</string-name>
              <string-name>McMakin, D.L.</string-name>
              <string-name>Hall, T.E.</string-name>
              <string-name>Yinon, J.</string-name>
              <string-name>Explosives, E</string-name>
            </person-group>
            <year>2007</year>
            <article-title>Detection of Explosives by Millimeter-Wave Imaging</article-title>
            <source>In: Yinon</source>
            <volume>237</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/b978-044452204-7/50028-6</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Liu, H. (2020) Robot Systems for Rail Transit Applications. Elsevier.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Liu, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2020</year>
            <article-title>Robot Systems for Rail Transit Applications</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Wang, H., Burgei, W.A. and Zhou, H. (2020) A Concise Model and Analysis for Heat-Induced Withdrawal Reflex Caused by Millimeter Wave Radiation. <italic>American Journal of Operations Research</italic>, 10, 31-81. https://doi.org/10.4236/ajor.2020.102004 <pub-id pub-id-type="doi">10.4236/ajor.2020.102004</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.4236/ajor.2020.102004">https://doi.org/10.4236/ajor.2020.102004</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wang, H.</string-name>
              <string-name>Burgei, W.A.</string-name>
              <string-name>Zhou, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2020</year>
            <article-title>A Concise Model and Analysis for Heat-Induced Withdrawal Reflex Caused by Millimeter Wave Radiation</article-title>
            <source>American Journal of Operations Research</source>
            <volume>10</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.4236/ajor.2020.102004</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Wang, H., Burgei, W.A. and Zhou, H. (2020) Non-Dimensional Analysis of Thermal Effect on Skin Exposure to an Electromagnetic Beam. <italic>American Journal of Operations Research</italic>, 10, 147-162. https://doi.org/10.4236/ajor.2020.105011 <pub-id pub-id-type="doi">10.4236/ajor.2020.105011</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.4236/ajor.2020.105011">https://doi.org/10.4236/ajor.2020.105011</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wang, H.</string-name>
              <string-name>Burgei, W.A.</string-name>
              <string-name>Zhou, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2020</year>
            <article-title>Non-Dimensional Analysis of Thermal Effect on Skin Exposure to an Electromagnetic Beam</article-title>
            <source>American Journal of Operations Research</source>
            <volume>10</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.4236/ajor.2020.105011</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B13">
        <label>13.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wang, H., Foley, S.E. and Zhou, H. (2025) Asymptotic Solution for Skin Heating by an Electromagnetic Beam at an Incident Angle. <italic>Electronics</italic>, 14, Article No. 3061. https://doi.org/10.3390/electronics14153061 <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/electronics14153061</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3390/electronics14153061">https://doi.org/10.3390/electronics14153061</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wang, H.</string-name>
              <string-name>Foley, S.E.</string-name>
              <string-name>Zhou, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2025</year>
            <article-title>Asymptotic Solution for Skin Heating by an Electromagnetic Beam at an Incident Angle</article-title>
            <source>Electronics</source>
            <volume>14</volume>
            <elocation-id>No</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/electronics14153061</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B14">
        <label>14.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Skoog, D.A., Holler, F.J. and Crouch, S.R. (2017) Principal of Instrumental Analysis. 7th Edition, Sunder College Publisher.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Skoog, D.A.</string-name>
              <string-name>Holler, F.J.</string-name>
              <string-name>Crouch, S.R.</string-name>
              <string-name>Edition, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2017</year>
            <article-title>Principal of Instrumental Analysis</article-title>
            <source>7th Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B15">
        <label>15.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Jaime-Yepez, U., Wang, H., Foley, S.E. and Zhou, H. (2024) Asymptotic Solution of Electromagnetic Heating of Skin Tissue with Lateral Heat Conduction. <italic>Journal of Engineering Mathematics</italic>, 147, Article No. 14. https://doi.org/10.1007/s10665-024-10390-y <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10665-024-10390-y</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s10665-024-10390-y">https://doi.org/10.1007/s10665-024-10390-y</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Jaime-Yepez, U.</string-name>
              <string-name>Wang, H.</string-name>
              <string-name>Foley, S.E.</string-name>
              <string-name>Zhou, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2024</year>
            <article-title>Asymptotic Solution of Electromagnetic Heating of Skin Tissue with Lateral Heat Conduction</article-title>
            <source>Journal of Engineering Mathematics</source>
            <volume>147</volume>
            <elocation-id>No</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10665-024-10390-y</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B16">
        <label>16.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Walters, T.J., Blick, D.W., Johnson, L.R., Adair, E.R. and Foster, K.R. (2000) Heating and Pain Sensation Produced in Human Skin by Millimeter Waves: Comparison to a Simple Thermal Model. <italic>Health Physics</italic>, 78, 259-267. https://doi.org/10.1097/00004032-200003000-00003 <pub-id pub-id-type="doi">10.1097/00004032-200003000-00003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10688448</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1097/00004032-200003000-00003">https://doi.org/10.1097/00004032-200003000-00003</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Walters, T.J.</string-name>
              <string-name>Blick, D.W.</string-name>
              <string-name>Johnson, L.R.</string-name>
              <string-name>Adair, E.R.</string-name>
              <string-name>Foster, K.R.</string-name>
            </person-group>
            <year>2000</year>
            <article-title>Heating and Pain Sensation Produced in Human Skin by Millimeter Waves: Comparison to a Simple Thermal Model</article-title>
            <source>Health Physics</source>
            <volume>78</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1097/00004032-200003000-00003</pub-id>
            <pub-id pub-id-type="pmid">10688448</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B17">
        <label>17.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wang, H., Burgei, W.A. and Zhou, H. (2020) Analytical Solution of One-Dimensional Pennes’ Bioheat Equation. <italic>Open Physics</italic>, 18, 1084-1092. https://doi.org/10.1515/phys-2020-0197 <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/phys-2020-0197</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1515/phys-2020-0197">https://doi.org/10.1515/phys-2020-0197</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wang, H.</string-name>
              <string-name>Burgei, W.A.</string-name>
              <string-name>Zhou, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2020</year>
            <article-title>Analytical Solution of One-Dimensional Pennes’ Bioheat Equation</article-title>
            <source>Open Physics</source>
            <volume>18</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1515/phys-2020-0197</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B18">
        <label>18.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Rodríguez-Pérez, A.S., Gilardi-Velázquez, H.E. and Velázquez-Pérez, S.E. (2025) Analysis and Simulation of Dynamic Heat Transfer and Thermal Distribution in Burns with Multilayer Models Using Finite Volumes. <italic>Dynamics</italic>, 5, Article No. 41. https://doi.org/10.3390/dynamics5040041 <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/dynamics5040041</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3390/dynamics5040041">https://doi.org/10.3390/dynamics5040041</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <year>2025</year>
            <article-title>Analysis and Simulation of Dynamic Heat Transfer and Thermal Distribution in Burns with Multilayer Models Using Finite Volumes</article-title>
            <source>Dynamics</source>
            <volume>5</volume>
            <elocation-id>No</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/dynamics5040041</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B19">
        <label>19.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Joshi, A., Wang, F., Kang, Z., Yang, B. and Zhao, D. (2022) A Three-Dimensional Thermoregulatory Model for Predicting Human Thermophysiological Responses in Various Thermal Environments. <italic>Building and Environment</italic>, 207, Article ID: 108506. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108506 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.buildenv.2021.108506</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108506">https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.108506</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Joshi, A.</string-name>
              <string-name>Wang, F.</string-name>
              <string-name>Kang, Z.</string-name>
              <string-name>Yang, B.</string-name>
              <string-name>Zhao, D.</string-name>
            </person-group>
            <year>2022</year>
            <article-title>A Three-Dimensional Thermoregulatory Model for Predicting Human Thermophysiological Responses in Various Thermal Environments</article-title>
            <source>Building and Environment</source>
            <volume>207</volume>
            <fpage>108506</fpage>
            <elocation-id>ID</elocation-id>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.buildenv.2021.108506</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>