stringtranslate.com

Определитель Кэли – Менгера

В линейной алгебре , геометрии и тригонометрии определитель Кэли-Менгера представляет собой формулу для содержания, т. е. многомерного объема -мерного симплекса, выраженного в квадратах всех расстояний между парами его вершин. Определитель назван в честь Артура Кэли и Карла Менгера .

Полиномы попарных расстояний между n точками в реальном евклидовом пространстве являются евклидовыми инвариантами, которые связаны отношениями Кэли-Менгера . [1] Эти отношения служили нескольким целям, таким как обобщение формулы Герона, вычисление содержимого n -мерного симплекса и, в конечном итоге, определение того, является ли какая-либо реальная симметричная матрица евклидовой матрицей расстояний в области геометрии расстояний . [2]

История

Карл Менгер был молодым профессором геометрии в Венском университете, а Артур Кэли — британским математиком, специализировавшимся на алгебраической геометрии. Менгер расширил алгебраическое мастерство Кэли, предложив новую аксиому метрических пространств, используя концепции геометрии расстояния и отношения конгруэнтности, известные как определитель Кэли-Менгера. В конечном итоге это обобщило одно из первых открытий в геометрии расстоянийформулу Герона , которая вычисляет площадь треугольника по длинам его сторон. [3]

Определение

Позвольте быть точками в -мерном евклидовом пространстве , причем . [a] Эти точки являются вершинами n -мерного симплекса: треугольник, когда ; тетраэдр, когда , и так далее. Пусть – евклидовы расстояния между вершинами и . Содержимое, т.е. n -мерный объем этого симплекса, обозначаемый , может быть выражено как функция определителей некоторых матриц следующим образом: [4] [5]

Это определитель Кэли-Менгера . Ибо это симметричный полином от 's и, таким образом, инвариантен при перестановке этих величин. Это не работает, но всегда инвариантно относительно перестановки вершин. [б]

За исключением последней строки и столбца из единиц, матрица во второй форме этого уравнения представляет собой евклидову матрицу расстояний .

Особые случаи

2-Симплекс

Еще раз повторим: симплекс — это n -мерный многогранник и выпуклая оболочка точек , не лежащих ни в одной размерной плоскости. [6] Следовательно, 2-симплекс возникает тогда, когда и в результате симплекса образуется треугольник. Поэтому формула для определения треугольника приведена ниже: [5]


В результате приведенное выше уравнение представляет собой содержимое 2-симплекса (площадь плоского треугольника с длинами сторон , и ) и представляет собой обобщенную форму формулы Герона. [5]

3-Симплекс

Точно так же 3-симплекс возникает, когда и в результате симплекса образуется тетраэдр. [6] Поэтому формула для определения тетраэдра приведена ниже: [5]

В результате приведенное выше уравнение представляет содержимое 3-симплекса, который представляет собой объем тетраэдра, где ребро между вершинами и имеет длину . [5]

Доказательство

Пусть векторы-столбцы являются точками в -мерном евклидовом пространстве. Начнем с формулы объема

отметим, что определитель не меняется, когда мы добавляем дополнительную строку и столбец для создания матрицы ,

где – квадрат длины вектора . Дополнительно отметим, что матрица

имеет определитель . Таким образом, [7]

Обобщение на гиперболическую и сферическую геометрию.

Существуют сферические и гиперболические обобщения. [8] Доказательство можно найти здесь. [9]

В сферическом пространстве размерности и постоянной кривизны любые точки удовлетворяют условиям

где и – сферическое расстояние между точками .

В гиперболическом пространстве размерности и постоянной кривизны любые точки удовлетворяют условиям

где и – гиперболическое расстояние между точками .

Пример

В случае мы имеем, что это площадь треугольника , и поэтому мы будем обозначать ее через . По определителю Кэли-Менгера, где длины сторон треугольника , и ,

Результат в третьей строке обусловлен тождеством Фибоначчи . Последнюю строку можно переписать, чтобы получить формулу Герона для площади треугольника с учетом трех сторон, которая была известна еще Архимеду. [10]

В случае величина дает объем тетраэдра , который мы обозначим через . Для расстояний между и , определитель Кэли – Менгера дает [11] [12]

Нахождение радиуса описанной симплекса

Учитывая невырожденный n -симплекс, он имеет описанную n -сферу радиусом . Тогда ( n  + 1)-симплекс, составленный из вершин n -симплекса и центра n -сферы, вырожден. Таким образом, мы имеем

В частности, когда это дает радиус описанной окружности треугольника, выраженный в длинах его ребер.

Установить классификации

Исходя из этих определителей, мы также имеем следующие классификации:

Прямой

Множество Λ (содержащее не менее трех различных элементов) называется прямым тогда и только тогда , когда для любых трех элементов A , B и C из Λ [13]

Самолет

Множество Π (содержащее не менее четырех различных элементов) называется плоским тогда и только тогда, когда для любых четырех элементов A , B , C и D из Π [13]

но не все тройки элементов из П прямые друг к другу;

Плоский

Множество Φ (содержащее не менее пяти различных элементов) называется плоским тогда и только тогда, когда для любых пяти элементов A , B , C , D и E из Φ [13]

но не все четверки элементов из Ф плоские друг к другу; и так далее.

Теорема Менгера

Карл Менгер сделал дальнейшее открытие после разработки определителя Кэли-Менгера, который стал известен как теорема Менгера . Теорема гласит:

Полуметрика является евклидовой размерности n тогда и только тогда, когда все определители Кэли-Менгера в точках строго положительны, все определители в точках равны нулю и определитель Кэли-Менгера хотя бы на одном наборе точек неотрицательен (в этом случае он обязательно нуль) . [1]

Проще говоря, если каждое подмножество точек может быть изометрически вложено в евклидово пространство, но не в общеразмерном , то полуметрика является евклидовой размерностью, если только она не состоит ровно из точек и определитель Кэли-Менгера в этих точках строго отрицателен. Этот тип полуметрики можно было бы классифицировать как псевдоевклидову . [1]

Реализация евклидовой матрицы расстояний

Учитывая отношения Кэли-Менгера, как объяснено выше, в следующем разделе будут представлены два алгоритма, позволяющие решить, является ли данная матрица матрицей расстояний, соответствующей евклидову множеству точек. Первый алгоритм сделает это, если задана матрица И размерность с помощью алгоритма решения геометрических ограничений. Второй алгоритм делает это, когда размерность не указана. Этот алгоритм теоретически находит реализацию полной матрицы евклидовых расстояний в наименьшем возможном измерении вложения за квадратичное время.

Теорема (г дана)

Для целей и контекста следующей теоремы, алгоритма и примера будут использоваться немного другие обозначения, чем раньше, что приведет к измененной формуле для объема размерного симплекса ниже, чем выше.

Теорема. Матрица является евклидовой матрицей расстояний тогда и только тогда, когда для всех подматриц , где , . Чтобы иметь реализацию в размерности , если , то . [14]

Как указывалось ранее, цель этой теоремы исходит из следующего алгоритма реализации евклидовой матрицы расстояний или матрицы Грама.

Алгоритм

Вход
Евклидова матрица расстояний или матрица Грама .
Выход
Набор точек
Процедура

Пример

Пусть каждая точка имеет координаты . Чтобы расставить первые три точки:

  1. Поставил в начало координат, так .
  2. Поставил на первую ось, т.к.
  3. Положить :

Чтобы найти реализацию с помощью приведенного выше алгоритма, дискриминант системы квадратов расстояний должен быть положительным, что эквивалентно наличию положительного объема. В общем случае объем размерного симплекса, образованного вершинами, определяется выражением [14]

.

В приведенной выше формуле – определитель Кэли – Менгера. Положительный объем эквивалентен положительному определителю матрицы объема.

Теорема (d не дана)

Пусть K — целое положительное число, а D — симметричная полая матрица × n с неотрицательными элементами, с n ≥ 2. D — евклидова матрица расстояний с dim(D) = K тогда и только тогда, когда существуют и набор индексов I = такой что

где реализует D, где обозначает компонент вектора .

Подробное доказательство этой теоремы можно найти по следующей ссылке. [15]

Алгоритм — K = edmsph( D, x )

Источник: [15]

Γ
если Г ∅; затем
вернуть
иначе, если Γ
иначе, если Γ
← развернуть( )
ЯЯ ∪ { я }
КК + 1
еще
ошибка : dim aff(span( )) < K - 1
конец, если

конец возврата K

Смотрите также

Примечания

  1. ^ n -мерное тело не может быть погружено в k -мерное пространство, если
  2. ^ (Гипер)объем фигуры не зависит от порядка нумерации ее вершин.

Рекомендации

  1. ^ abc Ситхарам, Мира; Сент-Джон, Одри; Сидман, Джессика. Справочник по основам геометрических систем ограничений . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  978-1-4987-3891-0
  2. ^ http://ufo2.cite.ufl.edu/index.php/Distance_Geometry Геометрия расстояния
  3. ^ Шесть математических жемчужин из истории дистанционной геометрии
  4. ^ Соммервилл, DMY (1958). Введение в геометрию n измерений . Нью-Йорк: Dover Publications.
  5. ^ abcde Определитель Кэли-Менгера
  6. ^ ab Симплексная энциклопедия математики
  7. ^ «Симплексные объемы и определитель Кэли-Менгера» . www.mathpages.com . Архивировано из оригинала 16 мая 2019 года . Проверено 8 июня 2019 г.
  8. ^ Блюменталь, LM; Гиллам, Б.Э. (1943). «Распределение точек в n -пространстве». Американский математический ежемесячник . 50 (3): 181. дои : 10.2307/2302400. JSTOR  2302400.
  9. ^ Тао, Терренс (25 мая 2019 г.). «Сферический определитель Кэли – Менгера и радиус Земли». Что нового . Проверено 10 июня 2019 г.
  10. ^ Хит, Томас Л. (1921). История греческой математики (Том II) . Издательство Оксфордского университета. стр. 321–323.
  11. ^ Одет, Дэниел. «Сферические и гиперболические определители Кэли – Менгера» (PDF) . Бюллетень AMQ . ЛИ : 45–52.
  12. ^ Дорри, Генрих (1965). 100 великих задач элементарной математики . Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 285–9.
  13. ^ Вики-страница abc Distance Geometry
  14. ^ аб Ситхарам, Мира. «Лекции с 1 по 6». «Геометрическая сложность CIS6930, Университет Флориды. Поступила 28 марта 2020 г.
  15. ^ ab Реализация евклидовых матриц расстояний путем пересечения сфер