Толстый объект (геометрия)
В геометрии — толстый объект это объект в двух или более измерениях, длина которого в разных измерениях одинакова. Например, квадрат толстый, потому что его длина и ширина одинаковы. 2 на 1 Прямоугольник тоньше квадрата, но он толще прямоугольника 10 на 1. Точно так же круг толще, чем эллипс 1 на 10 , а равносторонний треугольник толще, чем очень тупой треугольник .
Толстые объекты особенно важны в вычислительной геометрии . Многие алгоритмы вычислительной геометрии могут работать намного лучше, если их входные данные состоят только из толстых объектов; см. раздел приложений ниже.
Глобальная упитанность
[ редактировать ]
Учитывая константу R ≥1, объект o называется R -толстым , если его «коэффициент стройности» не превышает R . «Фактор стройности» в разных работах имеет разное определение. Общее определение [1] является:
где o и кубы - мерны d . Двумерный куб — это квадрат , поэтому коэффициент тонкости квадрата равен 1 (поскольку его наименьший охватывающий квадрат такой же, как и его самый большой замкнутый диск). Коэффициент стройности прямоугольника 10х1 равен 10. Коэффициент стройности круга равен √2. Следовательно, согласно этому определению, квадрат имеет 1 толщину, но диск и прямоугольник 10 × 1 не являются 1-жирными. Квадрат тоже 2-жирный (поскольку его коэффициент тонкости меньше 2), 3-жирный и т. д. Диск тоже 2-жирный (а также 3-жирный и т. д.), но прямоугольник 10×1 не является 2-жирным. -толстый. Любая фигура является ∞-толстой, поскольку по определению коэффициент тонкости всегда не превосходит ∞.
Приведенное выше определение можно назвать жирностью двух кубов, поскольку оно основано на соотношении длин сторон двух кубов. Аналогичным образом можно определить упитанность двух шаров , в которых d-мерный шар . вместо этого используется [2] Двумерный шар — это диск . Согласно этому альтернативному определению, диск имеет 1 толщину, но квадрат не имеет 1 толщины, поскольку его тонкость с двумя шарами равна √2.
Альтернативное определение, которое можно назвать упитанностью окружающего шара (также называемой «толщиной»). [3] ) основан на следующем коэффициенте тонкости:
Показатель степени 1/ d делает это определение отношением двух длин, так что его можно сравнить с жирностью двух шаров.
Здесь тоже вместо мяча можно использовать кубик.
Аналогичным образом можно определить упитанность закрытого шара на основе следующего коэффициента стройности:
Окружающая жирность против закрытой жирности
[ редактировать ]Тонкость окружающего шара/куба может сильно отличаться от тонкости закрытого шара/куба.
Например, рассмотрим леденец с конфетой в форме квадрата 1×1 и палочку в форме прямоугольника b ×(1/ b ) (при b >1>(1/ b )). С увеличением b площадь объемлющего куба (≈ b 2 ) увеличивается, но площадь закрытого куба остается постоянной (=1), а общая площадь фигуры также остается постоянной (=2). Таким образом, тонкость охватывающего куба может увеличиваться произвольно, в то время как тонкость замкнутого куба остается постоянной (=√2). См. эту страницу GeoGebra для демонстрации.
С другой стороны, рассмотрим прямолинейную «змею» шириной 1/b и длиной b , которая полностью сложена внутри квадрата с длиной стороны 1. По мере увеличения b площадь замкнутого куба (≈1/ b 2 ) уменьшается, но общие площади змеи и окружающего куба остаются постоянными (=1). Таким образом, тонкость замкнутого куба может увеличиваться произвольно, в то время как тонкость охватывающего куба остается постоянной (=1).
И у леденца, и у змейки двухкубик-стройность растет произвольно, так как в общем случае:
- тонкость закрытого шара ⋅ тонкость закрытого шара = тонкость двух шаров
- Тонкость окружающего куба ⋅ Тонкость закрытого куба = Тонкость двух кубов
Поскольку все коэффициенты тонкости не менее 1, из этого следует, что если объект o является R-толстым в соответствии с определением двух шаров/кубов, он также является R-толстым в соответствии с охватывающим шаром/кубом и закрытым шаром/кубом. определения (но обратное неверно, как показано выше).
Шарики против кубиков
[ редактировать ]Объем d - мерного шара радиуса r равен : , где V d — константа, зависящая от размерности:
D -мерный куб со стороной 2 a имеет объем (2 a ) д . Он заключен в d -мерный шар радиуса a√d, объем которого равен V d ( a√d ) д . Следовательно, для каждого d -мерного объекта:
- тонкость окружающего шара ≤ тонкость окружающего куба ⋅ .
Для четных размеров ( d =2 k ) коэффициент упрощается до: . В частности, для двумерных форм V 2 =π и коэффициент равен: √(0,5 π)≈1,25, поэтому:
- тонкость окружающего диска ≤ тонкость окружающего квадрата ⋅ 1,25
Из аналогичных соображений:
- тонкость закрытого куба ≤ тонкость закрытого шара ⋅
- тонкость закрытого квадрата ≤ тонкость закрытого диска ⋅ 1,25
D -мерный шар радиуса a заключен в d -мерный куб с длиной стороны 2 a . Следовательно, для каждого d -мерного объекта:
- тонкость-куба ≤ тонкость-шара ⋅
Для четных размеров ( d =2 k ) коэффициент упрощается до: . В частности, для двумерных фигур коэффициент равен: 2/√π≈1,13, поэтому:
- тонкость квадрата корпуса ≤ тонкость корпуса ⋅ 1,13
Из аналогичных соображений:
- тонкость закрытого шара ≤ тонкость закрытого куба ⋅
- Тонкость закрытого диска ≤ тонкость закрытого квадрата ⋅ 1,13
Умножение приведенных выше отношений дает следующие простые отношения:
- тонкость двух шаров ≤ тонкость двух кубов ⋅ √ d
- тонкость двух кубов ≤ тонкость двух шаров ⋅ √ d
Таким образом, объект R -fat согласно определению двух шаров или двух кубов является не более чем R √ d -fat согласно альтернативному определению.
Местная упитанность
[ редактировать ]Все приведенные выше определения являются глобальными в том смысле, что они не учитывают небольшие тонкие области, являющиеся частью большого толстого объекта.
Например, рассмотрим леденец с конфетой в форме квадрата 1×1 и палочку в форме прямоугольника 1×(1/ b ) (при b >1>(1/ b )). По мере увеличения b площадь окружающего куба (=4) и площадь окружающего куба (=1) остаются постоянными, в то время как общая площадь фигуры меняется лишь незначительно (=1+1/ b ). Таким образом, все три фактора тонкости ограничены: тонкость объемлющего куба≤2, тонкость закрытого куба≤2, тонкость двухкубов=2. Таким образом, по всем определениям леденец 2-жирный. Однако палочка леденца явно становится тоньше и тоньше.
В некоторых приложениях такие тонкие детали неприемлемы, поэтому более подходящей может быть локальная упитанность , основанная на локальном коэффициенте тонкости. Для каждого глобального фактора тонкости можно определить локальную версию. Например, для тонкости охватывающего шара можно определить коэффициент локальной тонкости охватывающего шара объекта o, рассматривая множество B всех шаров, центр которых находится внутри o и граница которых пересекает границу o ( т.е. не полностью содержащий o ). Коэффициент локальной тонкости охватывающего шара определяется как: [3] [4]
1/2 — это коэффициент нормализации, который делает локальную тонкость окружающего шара шара равной 1. В локальной тонкости окружающего шара формы леденца, описанной выше, доминирует 1×(1/ b ) прилипает и переходит в ∞ по мере роста b . Таким образом, по местному определению вышеуказанный леденец не является 2-жирным.
Глобальные и локальные определения
[ редактировать ]Локальная жирность подразумевает глобальную жирность. Вот примерный эскиз упитанности на основе вмещающих шариков. По определению, объем наименьшего объемлющего шара равен объему любого другого объемлющего шара. В частности, это ≤ объем любого объемлющего шара, центр которого находится внутри o и граница которого касается границы o . Но каждый такой объемлющий шар входит в множество B, рассматриваемое по определению тонкости локального охватывающего шара. Следовательно:
- тонкость корпуса шара д =
- = объем (наименьший охватывающий шар)/объем ( o )
- ≤ объем(охватывающий шар- b -в- B )/объем( o )
- = объем (охватывающий шар- b -в- B )/объем ( b ∩ o )
- ≤ (2 локальная тонкость охватывающего шара) д
Следовательно:
- тонкость охватывающего шара ≤ 2⋅локальная тонкость охватывающего шара
Для выпуклого тела верно и обратное: локальная полнота подразумевает глобальную полноту. Доказательство [3] основано на следующей лемме. Пусть o — выпуклый объект. Пусть P — точка в o . Пусть b и B — два шара с центром в точке P, такие что b меньше B . Тогда o пересекает большую часть b , чем B , то есть:
Схема доказательства: стоя в точке P , мы можем посмотреть под разными углами θ и измерить расстояние до границы o . Поскольку o выпукло, это расстояние является функцией, скажем, r ( θ ). Мы можем вычислить левую часть неравенства, проинтегрировав следующую функцию (умноженную на некоторую детерминантную функцию) по всем углам:
Аналогичным образом мы можем вычислить правую часть неравенства, интегрируя следующую функцию:
Проверив все три возможных случая, можно показать, что всегда . Таким образом, интеграл от f является, по крайней мере, интегралом от F , и отсюда следует лемма.
Определение тонкости локального охватывающего шара учитывает все шары, центрированные в точке o и пересекающие границу o . Однако, когда o выпукло, приведенная выше лемма позволяет нам рассматривать для каждой точки из o только шары максимального размера, т. е. только шары, которые целиком содержат o (и граница которых пересекает границу o ). Для каждого такого шара b :
где — некоторая константа, зависящая от размерности.
Диаметр o не превышает диаметра наименьшего шара, окружающего o , а объем этого шара равен: . Объединение всех неравенств дает для каждого выпуклого объекта:
- локальная-тонкость-вмещающего-шара ≤ тонкость-вмещающего-шара
Для невыпуклых объектов это неравенство, конечно, не выполняется, как показано на примере леденца выше.
Примеры
[ редактировать ]В следующей таблице показан коэффициент тонкости различных форм на основе разных определений. Два столбца локальных определений заполняются знаком «*», когда форма выпуклая (в этом случае значение локальной тонкости равно значению соответствующей глобальной тонкости):
Форма | два мяча | два кубика | ограждающий шар | вмещающий куб | закрытый шар | закрытый куб | локальный охватывающий шар | локальный включающий куб |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
квадрат | √2 | 1 | √(π/2)≈1,25 | 1 | √(4/π) ≈ 1,13 | 1 | * | * |
b × прямоугольник с b > a | √(1+b^2/а^2) | б/а | 0,5√π(а/б+б/а) [3] | √(б/а) | 2√(б/аπ) | √(б/а) | * | * |
диск | 1 | √2 | 1 | √(4/π)≈1,13 | 1 | √(π/2)≈1,25 | * | * |
эллипс с радиусами b > a | б / а | > б / а | √( б / а ) | >√( б /2π а ) | √( б / а ) | >√(π б / а ) | * | * |
полуэллипс с радиусами b > a , разделенный пополам параллельно b | 2 б / а | >2 б / а | √(2 б / а ) | >√(4 б /π а ) | √(2 б / а ) | >√(2π б / а ) | * | * |
полудиск | 2 | √5 | √2 | √(8/π)≈1,6 | √2 | √(5π/8)≈1,4 | * | * |
равносторонний треугольник | 1+2/√3≈2.15 | √(π/√3)≈1,35 | √(4/√3)≈1.52 | √√3/2+1/√√3≈1.42 | * | * | ||
равнобедренный прямоугольный треугольник | 1/(√2-1)≈2.4 | 2 | √2 | √2 | * | * | ||
«леденец» состоит из единичного квадрата и палочки b × a , b >1> a | б +1 | √(( б +1)^2/( аб +1)) | √( аб +1) | √(б/а) |
Жирность треугольника
[ редактировать ]Тонкость инвариантна к масштабу, поэтому коэффициент тонкости треугольника (как и любого другого многоугольника) можно представить как функцию только его углов. Три коэффициента тонкости шара можно рассчитать с помощью хорошо известных тригонометрических тождеств.
Тонкость закрытого шара
[ редактировать ]Самая большая окружность, содержащаяся в треугольнике, называется вписанной в него окружностью . Известно , что:
где Δ — площадь треугольника, а r — радиус вписанной окружности. Следовательно, тонкость треугольника по замкнутому шару равна:
Тонкость корпуса
[ редактировать ]Наименьшая содержащая окружность для остроугольного треугольника — это описанная окружность , а для тупоугольного треугольника — это круг, диаметр которого равен самой длинной стороне треугольника. [5]
Известно , что:
где снова Δ — площадь треугольника, а R — радиус описанной окружности. Следовательно, для остроугольного треугольника коэффициент тонкости охватывающего шара равен:
Также известно , что:
где c — любая сторона треугольника, а A , B — прилежащие углы. Следовательно, для тупоугольного треугольника с острыми углами A и B (и самой длинной стороной c ) коэффициент тонкости окружающего шара равен:
что в прямоугольном треугольнике Обратите внимание , , поэтому оба выражения совпадают.
Тонкость двух шаров
[ редактировать ]Внутренний радиус r и описанный радиус R связаны парой формул, которые дают два альтернативных выражения для тонкости остроугольного треугольника с двумя шарами: [6]
Для тупоугольного треугольника следует использовать c вместо R /2 . По закону синусов :
Следовательно, коэффициент стройности тупоугольного треугольника с тупым углом C равен:
что в прямоугольном треугольнике Обратите внимание , , поэтому оба выражения совпадают.
Два выражения можно объединить следующим образом, чтобы получить одно выражение для тонкости двух шаров любого треугольника с меньшими углами A и B :
Чтобы получить представление о скорости изменения упитанности, рассмотрим, что дает эта формула для равнобедренного треугольника с углом наклона вершины θ , когда θ мал :
На следующих графиках показан коэффициент стройности треугольника с двумя шарами:
- Тонкость обычного треугольника , когда один угол ( a ) является постоянным параметром, а другой угол ( x ) изменяется .
- Тонкость равнобедренного треугольника как функция угла его вершины ( x ) .
Жирность окружностей, эллипсов и их частей
[ редактировать ]Тонкость круга на основе шара, конечно же, равна 1 — наименьшему возможному значению.

Для круглого сегмента с центральным углом θ диаметр описанной окружности — это длина хорды, а диаметр вписанной окружности — это высота сегмента, поэтому тонкость двух шаров (и ее приближение, когда θ мало ) равна:

Для кругового сектора с центральным углом θ (когда θ мало) диаметр описанной окружности — это радиус круга, а диаметр вписанной окружности — это длина хорды, поэтому тонкость двух шаров равна:
Для эллипса коэффициенты тонкости различны в разных местах. Например, рассмотрим эллипс с короткой осью a и длинной осью b . длина аккорда колеблется между на узкой стороне эллипса и на широкой стороне; аналогично высота сегмента колеблется между на узкой стороне и на его широкой стороне. Таким образом, тонкость двух шаров варьируется в пределах:
и:
В общем, когда секущая начинается под углом Θ, коэффициент тонкости можно аппроксимировать следующим образом: [7]
Жирность выпуклого многоугольника
[ редактировать ]Выпуклый многоугольник называется r -разделенным , если угол между каждой парой ребер (не обязательно смежных) не менее r .
Лемма: Тонкость объемлющего шара выпуклого многоугольника, разделенного r, не превосходит . [8] : 7–8
Выпуклый многоугольник называется k,r -разделенным , если:
- У него нет параллельных ребер, за исключением разве что двух горизонтальных и двух вертикальных.
- Каждое ребро, не параллельное оси, составляет угол не менее r с любым другим краем, а также с осями x и y.
- Если имеется два горизонтальных ребра, то диаметр/высота не превосходит k .
- Если есть два вертикальных ребра, то диаметр/ширина не превышает k .
Лемма: Тонкость объемлющего шара выпуклого многоугольника, разделенного k,r, не превосходит . [9] улучшить верхнюю границу до .
Подсчет толстых предметов
[ редактировать ]Если объект o имеет диаметр 2 a , то каждый шар, охватывающий o, должен иметь радиус не менее a и объем не менее V d a д . Следовательно, по определению жирности объемлющего шара объем R -жирного объекта диаметром 2 a должен быть не менее: V d a д / Р д . Следовательно:
- Лемма 1 : Пусть R ≥1 и C≥0 — две константы. Рассмотрим набор непересекающихся d -мерных объектов, которые все глобально R -толстые (т.е. с тонкостью охватывающего шара ≤ R ). Число таких предметов диаметром не менее 2 a , содержащихся в шаре радиуса C⋅a , не превышает:
Например (при d =2, R =1 и C =3): Число непересекающихся дисков радиусом не менее 1, содержащихся в круге радиуса 3, не превышает 3. 2 =9. (На самом деле их максимум 7).
Если мы рассмотрим локальную жирность вместо глобальной жирности, мы можем получить более сильную лемму: [3]
- Лемма 2 : Пусть R ≥1 и C≥0 — две константы. Рассмотрим набор непересекающихся d -мерных объектов, которые все являются локально R -толстыми (т.е. с локальной тонкостью охватывающего шара ≤ R ). Пусть o — единственный объект в этой коллекции диаметром 2 a . Тогда количество объектов в коллекции диаметром больше 2 a , находящихся на расстоянии 2C⋅a от объекта o, не превышает:
Например (при d =2, R =1 и C =0): количество непересекающихся дисков радиусом больше 1, которые касаются данного единичного диска, не превышает 4. 2 =16 (это не точная оценка, поскольку в этом случае легко доказать верхнюю оценку 5).
Обобщения
[ редактировать ]Следующее обобщение ожирения было изучено [2] для двумерных объектов.
Треугольник ∆ — это (β, δ)-треугольник плоского объекта o (0<β≤π/3, 0<δ< 1), если ∆ ⊆ o , то каждый из углов ∆ не меньше β, и длина каждого из его ребер не менее δ·диаметр( o ). Объект o на плоскости называется (β,δ)-покрытым , если для каждой точки P ∈ o существует (β, δ)-треугольник ∆ объекта o , содержащий P.
Для выпуклых объектов эти два определения эквивалентны в том смысле, что если o является α-жирным для некоторой константы α, то оно также (β,δ)-покрыто для соответствующих констант β и δ, и наоборот. Однако для невыпуклых объектов определение «толстости» является более общим, чем определение «(β, δ)-покрытия». [2]
Приложения
[ редактировать ]Жирные объекты используются в различных задачах, например:
- Планирование движения . Планирование пути робота, движущегося среди препятствий, становится проще, если препятствиями являются толстые объекты. [3]
- Честная нарезка торта : разделить торт становится сложнее, если на куски приходится толстые предметы. Это требование является общим, например, когда «пирог», подлежащий разделу, представляет собой земельное поместье. [10]
- Дополнительные приложения можно найти в ссылках ниже.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кац, MJ (1997). «3D-съемка вертикальными лучами и 2D-точечное наложение, поиск дальности и дуговая стрельба среди выпуклых толстых объектов» (PDF) . Вычислительная геометрия . 8 (6): 299–316. дои : 10.1016/s0925-7721(96)00027-2 . S2CID 122806176 . , Агарвал, ПК; Кац, MJ; Шарир, М. (1995). «Вычисление порядков глубины для толстых объектов и связанные с этим проблемы» . Вычислительная геометрия . 5 (4): 187. дои : 10.1016/0925-7721(95)00005-8 .
- ^ Перейти обратно: а б с Эфрат, А.; Кац, MJ; Нильсен, Ф.; Шарир, М. (2000). «Динамические структуры данных для толстых объектов и их приложений» . Вычислительная геометрия . 15 (4): 215. дои : 10.1016/s0925-7721(99)00059-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Ван дер Стаппен, AF; Гальперин, Д.; Овермарс, Миннесота (1993). «Сложность свободного пространства для робота, движущегося среди толстых препятствий». Вычислительная геометрия . 3 (6): 353. doi : 10.1016/0925-7721(93)90007-s . hdl : 1874/16650 .
- ^ Берг, М.; Грут, М.; Овермарс, М. (1994). «Новые результаты о разбиениях двоичного пространства на плоскости (расширенный тезис)». Теория алгоритмов — SWAT '94 . Конспекты лекций по информатике. Том. 824. с. 61. дои : 10.1007/3-540-58218-5_6 . ISBN 978-3-540-58218-2 . , Ван дер Стаппен, AF; Овермарс, Миннесота (1994). «Планирование движения среди толстых препятствий (расширенный реферат)». Материалы десятого ежегодного симпозиума по вычислительной геометрии - SCG '94 . п. 31. дои : 10.1145/177424.177453 . ISBN 978-0897916486 . S2CID 152761 . , Овермарс, Миннесота (1992). «Расположение точек в жировых подразделениях». Письма об обработке информации (представленная рукопись). 44 (5): 261–265. дои : 10.1016/0020-0190(92)90211-д . hdl : 1874/17965 . , Овермарс, Миннесота; Ван дер Стаппен, ФА (1996). «Поиск дальности и расположение точек среди толстых объектов». Журнал алгоритмов . 21 (3): 629. doi : 10.1006/jagm.1996.0063 . hdl : 1874/17327 .
- ^ Раджан, В.Т. (1994). «Оптимальность триангуляции Делоне в « . Дискретная и вычислительная геометрия . 12 (2): 189–202. doi : 10.1007/BF02574375 . MR 1283887 .
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Инрадиус» . Математический мир . Проверено 28 сентября 2014 г.
- ^ См. график: https://www.desmos.com/calculator/fhfqju02sn .
- ^ Марк де Берг; Онак, Кшиштоф; Сидиропулос, Анастасиос (2010). «Толстые многоугольные разбиения с применением к визуализации и встраиваниям». Журнал вычислительной геометрии . 4 . arXiv : 1009.1866 . дои : 10.20382/jocg.v4i1a9 . S2CID 15245776 .
- ^ Де Берг, Марк; Шпекманн, Беттина ; Ван дер Вил, Винсент (2014). «Древовидные карты с ограниченным соотношением сторон». Вычислительная геометрия . 47 (6): 683. arXiv : 1012.1749 . дои : 10.1016/j.comgeo.2013.12.008 . S2CID 12973376 . . Версия конференции: Выпуклые древовидные карты с ограниченным соотношением сторон (PDF) . ЕвроКГ. 2011.
- ^ Сегал-Халеви, Эрель; Ницан, Шмуэль; хасидим, Авинатан; Ауманн, Йонатан (2017). «Честно и справедливо: разрезание торта в двух измерениях». Журнал математической экономики . 70 : 1–28. arXiv : 1409.4511 . дои : 10.1016/j.jmateco.2017.01.007 . S2CID 1278209 .