Jump to content

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.

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 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:

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:

  1. У него нет параллельных ребер, за исключением разве что двух горизонтальных и двух вертикальных.
  2. Каждое ребро, не параллельное оси, составляет угол не менее r с любым другим краем, а также с осями x и y.
  3. Если имеется два горизонтальных ребра, то диаметр/высота не превосходит k .
  4. 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.
  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ Раджан, В.Т. (1994). «Оптимальность триангуляции Делоне в « . Дискретная и вычислительная геометрия . 12 (2): 189–202. doi : 10.1007/BF02574375 . MR   1283887 .
  6. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Инрадиус» . Математический мир . Проверено 28 сентября 2014 г.
  7. ^ См. график: https://www.desmos.com/calculator/fhfqju02sn .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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.
  10. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8de18950f53e869ac1165df4dd313c32__1710128760
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8d/32/8de18950f53e869ac1165df4dd313c32.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Fat object (geometry) - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)