Jump to content

Расположение линий

Симплициальное расположение линий (слева) и простое расположение линий (справа).

В геометрии расположение линий — это разделение плоскости, образованной набором линий . Проблемы подсчета особенностей устройств изучались в дискретной геометрии , а вычислительная геометрия нашла алгоритмы эффективного построения устройств.

Определение [ править ]

Интуитивно понятно, что любой конечный набор линий на плоскости разбивает плоскость на двумерные многоугольники (ячейки), одномерные отрезки или лучи и нульмерные точки пересечения. Это можно формализовать математически, классифицируя точки плоскости в зависимости от того, на какой стороне каждой прямой они находятся. Каждая линия разделяет плоскость на две открытые полуплоскости , и каждая точка плоскости имеет три возможности на линию: она может находиться либо в одной из этих двух полуплоскостей, либо находиться на самой прямой. Две точки можно считать эквивалентными, если они имеют одинаковую классификацию по всем линиям. Это отношение эквивалентности , классы эквивалентности которого являются подмножествами эквивалентных точек. Эти подмножества подразделяют плоскость на формы следующих трех типов:

  1. Ячейки . или камеры устройства представляют собой двумерные области, не являющиеся частью какой-либо линии Они образуют внутренности ограниченных выпуклых многоугольников или неограниченных выпуклых областей. Если плоскость разрезана по всем прямым, то это компоненты связности точек, которые остаются неразрезанными.
  2. Края . или панели композиции представляют собой одномерные области, принадлежащие одной линии Это открытые отрезки линий и открытые бесконечные лучи, на которые каждая линия разделена точками пересечения с другими линиями. То есть, если одна из прямых пересечена всеми остальными прямыми, то это компоненты связности ее неразрезанных точек.
  3. Вершины расположения — это изолированные точки, принадлежащие двум или более линиям, где эти линии пересекаются.

Граница ячейки — это система соприкасающихся с ней ребер, а граница ребра — множество соприкасающихся с ней вершин (одна вершина для луча и две для отрезка). Система объектов всех трех типов, связанных этим граничным оператором, образует клеточный комплекс, покрывающий плоскость. Два расположения называются изоморфными или комбинаторно эквивалентными, если между объектами в связанных с ними клеточных комплексах существует взаимно однозначное соответствие, сохраняющее границы. [1]

Та же классификация точек и те же формы классов эквивалентности могут использоваться для бесконечных, но локально конечных компоновок, в которых каждое ограниченное подмножество плоскости может пересекаться только конечным числом прямых. [2] хотя в этом случае неограниченные ячейки могут иметь бесконечно много сторон. [3]

Сложность аранжировок [ править ]

Изучение аранжировок было начато Якобом Штайнером , который доказал первые границы максимального числа признаков разных типов, которые может иметь аранжировка. [4] Наиболее простыми объектами для подсчета являются вершины, ребра и ячейки:

  • Договоренность с линий имеет не более вершины ( треугольное число ), по одной на пару пересекающихся линий. Этот максимум достигается для простых компоновок , в которых каждые две линии пересекаются в вершине, не пересекающейся со всеми остальными линиями. Количество вершин меньше, если некоторые линии параллельны или когда некоторые вершины пересекаются более чем двумя прямыми. [5]
  • Любую компоновку можно вращать, чтобы избежать линий, параллельных осям, без изменения количества ячеек. Любое расположение без линий, параллельных осям, имеет бесконечные нисходящие лучи, по одному на линию. Эти лучи разделяются ячейки расположения, неограниченные в направлении вниз. Остальные ячейки имеют уникальную самую нижнюю вершину (опять же, потому что здесь нет линий, параллельных осям). Для каждой пары линий может быть только одна ячейка, где две линии встречаются в нижней вершине, поэтому количество ячеек, ограниченных вниз, не превышает количества пар линий, . Если сложить неограниченные и ограниченные ячейки, общее количество ячеек в расположении может составить не более . [5] Это номера последовательности ленивого поставщика провизии . [6]
  • Число ребер компоновки не более , в чем можно убедиться, либо используя эйлерову характеристику для ее вычисления по числу вершин и ячеек, либо наблюдая, что каждая линия разбита не более чем на края у другого линии. Опять же, эта граница наихудшего случая достигается для простых схем. [5]

Более сложные функции называются «зонами», «уровнями» и «многоликими»:

  • Зона линии в линейном расположении — это совокупность ячеек, ребра которых принадлежат . Теорема о зоне утверждает, что общее количество ребер в ячейках одной зоны линейно. Точнее, общее количество ребер ячеек, принадлежащих одной стороне линии. самое большее , [7] и общее количество ребер ячеек, принадлежащих обеим сторонам самое большее . [8] В более общем смысле, общая сложность ячеек расположения линий, пересекаемых любой выпуклой кривой, равна , где обозначает обратную функцию Аккермана , как можно показать с помощью последовательностей Давенпорта-Шинзеля . [9] Сумма квадратов сложностей ячеек в расположении равна , что можно показать, суммируя зоны всех линий. [10]
  • The - уровень расположения – это многоугольная цепочка, образованная ребрами, имеющими ровно другие строки непосредственно под ними. -уровень – это часть структуры ниже уровня -уровень. Нахождение совпадающих верхних и нижних оценок сложности -уровень остается основной открытой проблемой в дискретной геометрии. Лучшая верхняя граница , а лучшая нижняя граница равна . [11] Напротив, максимальная сложность -уровень, как известно , . [12] А -уровень — это частный случай монотонного пути в аранжировке; то есть последовательность ребер, пересекающая любую вертикальную линию в одной точке. Однако монотонные пути могут быть гораздо сложнее, чем -уровни: в этих расположениях существуют расположения и монотонные пути, в которых число точек, в которых путь меняет направление, равно . [13]
  • Хотя одна ячейка в структуре может быть ограничена всеми линий, это вообще невозможно для разные ячейки, чтобы все были ограничены линии. Скорее, общая сложность клетки не более , [14] почти та же граница, что и в теореме Семереди–Троттера точек и прямых об инцидентности на плоскости. Простое доказательство этого следует из неравенства числа пересечений : [15] если клетки имеют в общей сложности ребра, можно построить граф с узлы (по одному на ячейку) и ребра (по одному на пару последовательных ячеек в одной строке). Ребра этого графа можно нарисовать в виде кривых, которые не пересекаются внутри ячеек, соответствующих их концам, а затем следуют линиям расположения. Поэтому существуют пересечения на этом рисунке. Однако в силу неравенства числа пересечений существуют переправы. Чтобы удовлетворить обе границы, должно быть . [16]

механизмы и проективная двойственность Проективные

удобно изучать, Расположение прямых на проективной плоскости поскольку каждая пара прямых имеет точку пересечения. [17] Расположение линий невозможно определить с помощью сторон линий, поскольку линия в проективной плоскости не разделяет плоскость на две отдельные стороны. [18] Можно по-прежнему определить ячейки расположения как связные компоненты точек, не принадлежащих какой-либо линии, ребра — как связные компоненты наборов точек, принадлежащих одной линии, а вершины — как точки, в которых две или более линии пересекаются. Расположение линий на проективной плоскости отличается от своего евклидова аналога тем, что два евклидовых луча на обоих концах линии заменяются одним ребром в проективной плоскости, которое соединяет крайнюю левую и крайнюю правую вершины на этой прямой, и в этом пары неограниченные евклидовы клетки заменяются в проективной плоскости одиночными клетками, которые пересекаются проективной линией на бесконечности. [19]

Благодаря проективной двойственности многие утверждения о комбинаторных свойствах точек на плоскости легче понять в эквивалентной двойственной форме о расположении прямых. Например, теорема Сильвестра-Галлаи , утверждающая, что любой неколлинеарный набор точек на плоскости имеет обычную линию, содержащую ровно две точки, преобразуется в условиях проективной двойственности в утверждение, что любое проективное расположение конечного числа прямых с более чем одной вершиной имеет обычную точку , вершину, где пересекаются только две прямые. Самое раннее известное доказательство теоремы Сильвестра-Галлаи, выполненное Мельхиором (1940) , использует характеристику Эйлера , чтобы показать, что такая вершина должна существовать всегда. [20]

Треугольники в аранжировках [ править ]

Симплициальное расположение, образованное 20 линиями, сторонами и осями симметрии правильного десятиугольника . Добавление бесконечной линии дает еще одну симплициальную компоновку с 21 линией.

Расположение прямых на проективной плоскости называется симплициальным , если каждая ячейка расположения ограничена ровно тремя ребрами. Симплициальные устройства были впервые изучены Мельхиором. [21] Известны три бесконечных семейства симплициальных расположений прямых:

  1. состоящий Почти карандаш, из линии, проходящие через одну точку, вместе с одной дополнительной линией, не проходящей через ту же точку,
  2. Семейство линий, образованных сторонами правильного многоугольника вместе с его осями симметрии и
  3. Стороны и оси симметрии ровного правильного многоугольника вместе с линией, уходящей на бесконечность.

Кроме того, существует множество других примеров спорадических симплициальных расположений , которые не вписываются ни в одно известное бесконечное семейство. [22] Как пишет Бранко Грюнбаум , симплициальные договоренности «выступают в качестве примеров или контрпримеров во многих контекстах комбинаторной геометрии и ее приложений». [23] Например, Артес, Грюнбаум и Ллибре (1998) используют симплициальные схемы для построения контрпримеров к гипотезе о связи между степенью набора дифференциальных уравнений и количеством инвариантных прямых, которые эти уравнения могут иметь. Два известных контрпримера к гипотезе Дирака–Моцкина (которая утверждает, что любой -линейное расположение имеет как минимум обычные точки) обе симплициальны. [24]

Двойной граф линейного расположения имеет один узел на ячейку и одно ребро, соединяющее любую пару ячеек, которые имеют общее ребро расположения. Эти графы представляют собой частичные кубы , графы, в которых узлы могут быть помечены битовыми векторами таким образом, чтобы расстояние в графе равнялось расстоянию Хэмминга между метками. В случае линейного расположения каждая координата маркировки присваивает 0 узлам на одной стороне одной из линий и 1 узлам на другой стороне. [25] Двойственные графы симплициальных расположений использовались для построения бесконечных семейств 3-правильных частичных кубов, изоморфных графам простых зоноэдров . [26]

Расположение с минимальным количеством треугольников согласно теореме Робертса о треугольнике.
Треугольники Кобон в расположении из 17 линий.

Также представляет интерес изучение экстремальных чисел треугольных ячеек в расположениях, которые не обязательно могут быть симплициальными. Любое расположение в проективной плоскости должно иметь не менее треугольники. Каждая аранжировка, имеющая только треугольники должны быть простыми. [27] Для евклидовой, а не проективной компоновки минимальное количество треугольников равно , по теореме Робертса о треугольнике . [28] Известно, что максимально возможное число треугольных граней в простой компоновке ограничено сверху выражением и снизу ограничен ; нижняя оценка достигается некоторыми подмножествами диагоналей регулярного -гон. [29] Для непростых компоновок максимальное количество треугольников аналогично, но более тесно ограничено. [30] Тесно связанная проблема треугольника Кобона требует максимального количества непересекающихся конечных треугольников в расположении на евклидовой плоскости, не считая неограниченных граней, которые могут образовывать треугольники на проективной плоскости. Для некоторых, но не для всех значений , возможны треугольники. [31]

Мультисетки и ромбовидные мозаики [ править ]

Двойственный граф простого расположения линий может быть представлен геометрически как набор ромбов , по одному на каждую вершину расположения, со сторонами, перпендикулярными линиям, которые встречаются в этой вершине. Эти ромбы можно соединить вместе, образуя мозаику выпуклого многоугольника в случае расположения конечного числа линий или всей плоскости в случае локально конечного расположения с бесконечным числом прямых. Эту конструкцию иногда называют диаграммой Клее , после публикации Рудольфа Клее в 1938 году, в которой использовался этот метод. Однако не каждая мозаика из ромбов состоит из линий таким образом. [32]

де Брёйн (1981) исследовал частные случаи этой конструкции, в которых расположение линий состоит из наборы равноотстоящих друг от друга параллельных линий. Для двух перпендикулярных семейств параллельных линий эта конструкция просто дает знакомую квадратную мозаику плоскости, а для трех семейств прямых, расположенных под углом 120 градусов друг к другу (которые сами образуют тригексагональную мозаику ), это дает ромбовидную мозаику . Однако для большего числа семейств прямых эта конструкция дает апериодические мозаики . В частности, для пяти семейств линий, расположенных под равными углами друг к другу (или, как де Брейн называет это расположение, пентагрид ) , получается семейство мозаик, включающее ромбическую версию мозаик Пенроуза . [33]

Также существуют три бесконечных симплициальных расположения, образованных из наборов параллельных прямых. представляет Квадратная мозаика тетракиса собой бесконечное расположение линий, образующих периодическую мозаику, напоминающую мультисетку с четырьмя параллельными семействами, но в которой два семейства расположены более широко, чем два других, и в котором расположение является скорее симплициальным, чем простым. Его двойником является усеченная квадратная плитка . Точно так же треугольная мозаика представляет собой бесконечную компоновку симплициальных линий с тремя параллельными семействами, двойственным которой является шестиугольная мозаика , а разделенная пополам шестиугольная мозаика представляет собой бесконечную компоновку симплициальных линий с шестью параллельными семействами и двумя интервалами между линиями, двойственную большому ромбо-шестиугольному мозаике. укладка плитки . Эти три примера взяты из трех групп аффинных отражений на евклидовой плоскости, систем симметрии, основанных на отражении каждой линии в этих расположениях. [34]

Алгоритмы [ править ]

Построение компоновки означает, что, учитывая в качестве входных данных список линий в компоновке, вычисляется представление вершин, ребер и ячеек компоновки вместе со смежностями между этими объектами, например, в виде двусвязного списка ребер . Благодаря теореме о зонах, расположения могут быть эффективно построены с помощью пошагового алгоритма, который добавляет по одной строке за раз к расположению ранее добавленных строк: каждая новая линия может быть добавлена ​​за время, пропорциональное ее зоне, что приводит к общему времени построения. из . [7] Однако требования к памяти для этого алгоритма высоки, поэтому может быть удобнее сообщать обо всех особенностях расположения с помощью алгоритма, который не хранит всю структуру в памяти сразу. Это снова можно будет сделать эффективно, со временем. и космос известного с помощью алгоритмического метода, как топологическая очистка . [35] Точное вычисление расположения линий требует числовой точности, в несколько раз превышающей точность входных координат: если линия задана двумя точками на ней, координатам вершин расположения может потребоваться в четыре раза большая точность, чем этим входным точкам. Поэтому вычислительные геометры также изучали алгоритмы эффективного построения устройств с ограниченной числовой точностью. [36]

Кроме того, исследователи изучили эффективные алгоритмы построения небольших частей композиции, таких как зоны, [37] -уровни, [38] или набор ячеек, содержащий заданный набор точек. [39] Задача нахождения вершины расположения с медианой -координата возникает (в двойственной форме) в робастной статистике как задача вычисления оценки Тейла – Сена набора точек. [40]

Марк ван Кревельд предложил алгоритмическую задачу вычисления кратчайших путей между вершинами в линейном расположении, где пути ограничены тем, что они следуют по краям расположения, быстрее, чем квадратичное время, которое потребовалось бы для применения алгоритма кратчайшего пути ко всей структуре. график расположения. [41] алгоритм аппроксимации : Известен [42] и проблема может быть эффективно решена для линий, которые попадают в небольшое количество параллельных семейств (что типично для городских уличных сетей), [43] но общая проблема остается открытой.

Расположение неевклидовых линий [ править ]

Нерастягиваемая композиция псевдолиний из девяти псевдолиний. (Все расположения, состоящие менее чем из девяти псевдолиний, растягиваемы.) Согласно теореме Паппа о шестиугольнике , это расположение не может быть реализовано на проективной плоскости над любым полем.
Расположение гиперболических линий, комбинаторно эквивалентное хордовой диаграмме, использованной Агеевым (1996) , чтобы показать, что без треугольников круговым графикам иногда может потребоваться 5 цветов .

Расположение псевдолиний — это семейство кривых , которые имеют схожие топологические свойства с расположением линий. [44] Проще всего их можно определить на проективной плоскости как простые замкнутые кривые, любые две из которых встречаются в одной точке пересечения. [45] Расположение псевдолиний называется растягиваемым, если оно комбинаторно эквивалентно расположению линий. Определение растяжимости — сложная вычислительная задача: достаточно для экзистенциальной теории реальности отличить растягиваемые устройства от нерастягиваемых. [46] Любое расположение конечного числа псевдолиний может быть расширено так, что они станут линиями в «развороте», типе неевклидовой геометрии инцидентности , в которой каждые две точки топологической плоскости соединены уникальной линией (как в евклидовой плоскости). но в котором другие аксиомы евклидовой геометрии могут быть неприменимы. [47]

Другой тип неевклидовой геометрии — гиперболическая плоскость , и расположение гиперболических линий в этой геометрии также изучалось. [48] Любой конечный набор прямых в евклидовой плоскости имеет комбинаторно эквивалентное расположение в гиперболической плоскости (например, путем заключения вершин расположения в большой круг и интерпретации внутренней части круга как модели Клейна гиперболической плоскости). Однако параллельные (непересекающиеся) пары прямых менее ограничены в расположении гиперболических линий, чем в евклидовой плоскости: в частности, отношение параллельности является отношением эквивалентности для евклидовых линий, но не для гиперболических линий. [49] Граф пересечения линий в гиперболическом расположении может быть произвольным круговым графом . Соответствующей концепцией гиперболического расположения псевдолиний является слабое расположение псевдолиний , [50] семейство кривых, имеющих те же топологические свойства, что и линии [51] такие, что любые две кривые в семействе либо встречаются в одной точке пересечения, либо не имеют пересечений. [50]

См. также [ править ]

  • Конфигурация (геометрия) , расположение линий и набор точек, при этом все линии содержат одинаковое количество точек и все точки принадлежат одному и тому же количеству линий.
  • Расположение (разделение пространства) — разделение плоскости, заданной наложенными кривыми, или пространства более высокой размерности наложенными поверхностями, без требования, чтобы кривые или поверхности были плоскими.
  • Математический мост — мост в Кембридже, Англия, балки которого образуют касательные линии к его арке.

Примечания [ править ]

  1. ^ Грюнбаум (1972) , с. 4.
  2. ^ Eppstein, Falmagne & Ovchinnikov (2007) , pp. 177–178.
  3. ^ Ovchinnikov (2011) , p. 210.
  4. ^ Штайнер (1826) ; Агарвал и Шарир (2000) .
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Гальперин и Шарир (2018) , с. 724 .
  6. ^ Слоан, Нью-Джерси (редактор), «Последовательность A000124 (центральные многоугольные числа (последовательность ленивого поставщика))» , Интернет -энциклопедия целочисленных последовательностей , Фонд OEIS
  7. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Шазель, Гибас и Ли (1985) , Эдельсбруннер (1987) , Эдельсбруннер, О'Рурк и Зайдель (1986) .
  8. ^ Берн и др. (1991) ; неопубликованная рукопись Рома Пинчаси 2011 года утверждает, что граница немного более строгая. .
  9. ^ Берн и др. (1991) .
  10. ^ Аронов, Матушек и Шарир (1994) .
  11. ^ Дей (1998) ; Тот (2001) . Проблема ограничения сложности k -уровней была впервые изучена Ловасом (1971) и Эрдешем и др. (1973) .
  12. ^ Алон и Дьери (1986) .
  13. ^ Балог и др. (2004) ; см. также Матушек (1991) .
  14. ^ Канхэм (1969) ; Кларксон и др. (1990) .
  15. ^ Айтай и др. (1982) ; Лейтон (1983) .
  16. ^ Секели (1997) .
  17. ^ Гудман и Поллак (1993) , с. 109. Архивировано 1 января 2023 г. в Wayback Machine : «Естественной средой для расположения линий является настоящая проекционная плоскость».
  18. ^ Польстер (1998) , с. 223.
  19. ^ Гудман и Поллак (1993) , с. 110.
  20. Это самое раннее доказательство, цитируемое Борвейном и Мозером (1990) , но они пишут, что то же доказательство, вероятно, было дано «намного раньше другими».
  21. ^ Мельхиор (1940) ; Грюнбаум (2009) .
  22. ^ Грюнбаум (1972) ; Грюнбаум (2009) .
  23. ^ Грюнбаум (2009) .
  24. ^ Кроу и Макки (1968) ; Дирак (1951) ; Келли и Мозер (1958) ; Грюнбаум (1972) , стр. 18.
  25. ^ Eppstein, Falmagne & Ovchinnikov (2007) , p. 180.
  26. ^ Эппштейн (2006) .
  27. ^ Грюнбаум (1972) ; Леви (1926) ; Руднев (1988) .
  28. ^ Грюнбаум (1972) .
  29. ^ Фюреди и Паласти (1984) ; Грюнбаум (1972) .
  30. ^ Перди (1979) ; Перди (1980) ; Строммер (1977) .
  31. ^ Морено и Прието-Мартинес (2021) .
  32. ^ Клее (1938) .
  33. ^ де Брейн (1981) .
  34. ^ Абраменко и Браун (2008) .
  35. ^ Эдельсбруннер и Гибас (1989) .
  36. ^ Фортуна и Миленкович (1991) ; Грин и Яо (1986) ; Миленкович (1989) .
  37. ^ Аарон и др. (1999) .
  38. ^ Агарвал и др. (1998) ; Чан (1999) ; Коул, Шарир и Яп (1987) ; Эдельсбруннер и Вельцль (1986) .
  39. ^ Агарвал (1990) ; Агарвал, Матушек и Шарир (1998) ; Эдельсбруннер, Гибас и Шарир (1990) .
  40. ^ Коул и др. (1989) .
  41. ^ Эриксон (1997) .
  42. ^ Бозе и др. (1996) .
  43. ^ Эппштейн и Харт (1999) .
  44. ^ Грюнбаум (1972) ; Агарвал и Шарир (2002) .
  45. ^ Это определение взято из Грюнбаума (1972) . Сравнение альтернативных определений псевдолиний см. в Eppstein, Falmagne & Ovchinnikov (2007) .
  46. ^ Шор (1991) ; Шефер (2010) .
  47. ^ Гудман и др. (1994) .
  48. ^ Платье, Кулен и Моултон (2002) .
  49. ^ Мартин (1996) , стр. 41, 338.
  50. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б де Фрейссе и Оссона де Мендес (2003) .
  51. ^ Здесь уместно альтернативное определение Шора (1991) , что псевдолиния - это образ прямой при гомеоморфизме плоскости.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: fb6348ccfff314b1fde12b470d2b3451__1717761900
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/fb/51/fb6348ccfff314b1fde12b470d2b3451.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Arrangement of lines - 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.)