Формула «объема» n-симплекса
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 .![{\текстовый стиль п}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle {n \choose 2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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 расстояний — формулу 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]![{\textstyle A_{0},A_{1},\ldots,A_{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n+1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k\geq n}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n=2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n=3}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\textstyle d_{ij}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle A_{i}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\textstyle A_ {j}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle v_ {n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{aligned}v_{n}^{2}&={\frac {1}{(n!)^{2}2^{n}}}{\begin{vmatrix}2d_{01 }^{2}&d_{01}^{2}+d_{02}^{2}-d_{12}^{2}&\cdots &d_{01}^{2}+d_{0n}^{2 }-d_{1n}^{2}\\d_{01}^{2}+d_{02}^{2}-d_{12}^{2}&2d_{02}^{2}&\cdots &d_ {02}^{2}+d_{0n}^{2}-d_{2n}^{2}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\d_{01}^{2}+d_ {0n}^{2}-d_{1n}^{2}&d_{02}^{2}+d_{0n}^{2}-d_{2n}^{2}&\cdots &2d_{0n}^ {2}\end{vmatrix}}\\[10pt]&={\frac {(-1)^{n+1}}{(n!)^{2}2^{n}}}{\begin {vmatrix}0&d_{01}^{2}&d_{02}^{2}&\cdots &d_{0n}^{2}&1\\d_{01}^{2}&0&d_{12}^{2}& \cdots &d_{1n}^{2}&1\\d_{02}^{2}&d_{12}^{2}&0&\cdots &d_{2n}^{2}&1\\\vdots &\vdots &\ vdots &\ddots &\vdots &\vdots \\d_{0n}^{2}&d_{1n}^{2}&d_{2n}^{2}&\cdots &0&1\\1&1&1&\cdots &1&0\end{vmatrix }}.\end{aligned}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle n=2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d_{ij}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\ displaystyle n> 2,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle n+1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (n-1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n=2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle V_{j}^{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle -16\Delta ^{2}={\begin{vmatrix}0&1&1&1\\1&0&c^{2}&b^{2}\\1&c^{2}&0&a^{2}\\1&b^{2} &a^{2}&0\\\end{vmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle а}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle б}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle с}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
3-Симплекс
Точно так же 3-симплекс возникает, когда и в результате симплекса образуется тетраэдр. [6] Поэтому формула для определения тетраэдра приведена ниже: [5]![{\displaystyle n=3}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle V_{j}^{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle 288V^{2}={\begin{vmatrix}0&1&1&1&1\\1&0&d_{12}^{2}&d_{13}^{2}&d_{14}^{2}\\1&d_{21}^{ 2}&0&d_{23}^{2}&d_{24}^{2}\\1&d_{31}^{2}&d_{32}^{2}&0&d_{34}^{2}\\1&d_{41} ^{2}&d_{42}^{2}&d_{43}^{2}&0\\\end{vmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В результате приведенное выше уравнение представляет содержимое 3-симплекса, который представляет собой объем тетраэдра, где ребро между вершинами и имеет длину . [5]![{\displaystyle я}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle j}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d_{ij}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Доказательство
Пусть векторы-столбцы являются точками в -мерном евклидовом пространстве. Начнем с формулы объема![{\textstyle A_{0},A_{1},\ldots,A_{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n+1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle п}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle v_{n}={\frac {1}{n!}}\left|\det {\begin{pmatrix}A_{0}&A_{1}&\cdots &A_{n}\\1&1&\cdots &1\end{pmatrix}}\right|\,,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
отметим, что определитель не меняется, когда мы добавляем дополнительную строку и столбец для создания матрицы ,![{\displaystyle (n+2)\times (n+2)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle P={\begin{pmatrix}A_{0}&A_{1}&\cdots &A_{n}&0\\1&1&\cdots &1&0\\\|A_{0}\|^{2}&\| A_{1}\|^{2}&\cdots &\|A_{n}\|^{2}&1\end{pmatrix}}\,,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где – квадрат длины вектора . Дополнительно отметим, что матрица![{\displaystyle \|A_{j}\|^{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle A_{j}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (n+2)\times (n+2)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle Q={\begin{pmatrix}-2&0&\cdots &0&0&0\\0&-2&\cdots &0&0&0\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\vdots &\vdots \\0&0&\cdots &- 2&0&0\\0&0&\cdots &0&0&1\\0&0&\cdots &0&1&0\end{pmatrix}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
имеет определитель . Таким образом, [7]![{\displaystyle (-2)^{n}(-1)=(-1)^{n+1}2^{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \det {\begin{pmatrix}0&d_{01}^{2}&d_{02}^{2}&\cdots &d_{0n}^{2}&1\\d_{01}^{2}&0&d_ {12}^{2}&\cdots &d_{1n}^{2}&1\\d_{02}^{2}&d_{12}^{2}&0&\cdots &d_{2n}^{2}&1\ \\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\vdots \\d_{0n}^{2}&d_{1n}^{2}&d_{2n}^{2}&\cdots &0&1\\ 1&1&1&\cdots &1&0\end{pmatrix}}=\det(P^{T}QP)=\det(Q)\det(P)^{2}=(-1)^{n+1}2^{ n}(n!)^{2}v_{n}^{2}\,.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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![{\displaystyle (n-1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle 1/R^{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (n+1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{vmatrix}0&f(d_{01})&f(d_{02})&\cdots &f(d_{0n})&1\\f(d_{01})&0&f(d_{12}) &\cdots &f(d_{1n})&1\\f(d_{02})&f(d_{12})&0&\cdots &f(d_{2n})&1\\\vdots &\vdots &\vdots &\ ddots &\vdots &\vdots \\f(d_{0n})&f(d_{1n})&f(d_{2n})&\cdots &0&1\\1&1&1&\cdots &1&{\frac {1}{2R^{ 2}}}\end{vmatrix}}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где и – сферическое расстояние между точками .![{\displaystyle f(d)=2R^{2}\left(1-\cos {\frac {d}{R}}\right)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d_{ij}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle я,j}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В гиперболическом пространстве размерности и постоянной кривизны любые точки удовлетворяют условиям![{\displaystyle (n-1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle -1/R^{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (n+1)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{vmatrix}0&f(d_{01})&f(d_{02})&\cdots &f(d_{0n})&1\\f(d_{01})&0&f(d_{12}) &\cdots &f(d_{1n})&1\\f(d_{02})&f(d_{12})&0&\cdots &f(d_{2n})&1\\\vdots &\vdots &\vdots &\ ddots &\vdots &\vdots \\f(d_{0n})&f(d_{1n})&f(d_{2n})&\cdots &0&1\\1&1&1&\cdots &1&-{\frac {1}{2R^ {2}}}\end{vmatrix}}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где и – гиперболическое расстояние между точками .![{\displaystyle f(d)=2R^{2}\left(\cosh {\frac {d}{R}}-1\right)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d_{ij}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle я,j}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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 ,![{\displaystyle n=2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle v_{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle А}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle а}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle б}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle с}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{aligned}16A^{2}&={\begin{vmatrix}2a^{2}&a^{2}+b^{2}-c^{2}\\a^{2 }+b^{2}-c^{2}&2b^{2}\end{vmatrix}}\\[8pt]&=4a^{2}b^{2}-(a^{2}+b ^{2}-c^{2})^{2}\\[6pt]&=(a^{2}+b^{2}+c^{2})^{2}-2(a^ {4}+b^{4}+c^{4})\\[6pt]&=(a+b+c)(a+bc)(a-b+c)(-a+b+c) \end{выровнено}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle n=3}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle v_{3}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle V}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle A_{i}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle A_{j}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d_{ij}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{aligned}144V^{2}={}&{\frac {1}{2}}{\begin{vmatrix}2d_{01}^{2}&d_{01}^{2} +d_{02}^{2}-d_{12}^{2}&d_{01}^{2}+d_{03}^{2}-d_{13}^{2}\\d_{01} ^{2}+d_{02}^{2}-d_{12}^{2}&2d_{02}^{2}&d_{02}^{2}+d_{03}^{2}-d_{ 23}^{2}\\d_{01}^{2}+d_{03}^{2}-d_{13}^{2}&d_{02}^{2}+d_{03}^{2 }-d_{23}^{2}&2d_{03}^{2}\end{vmatrix}}\\[8pt]={}&4d_{01}^{2}d_{02}^{2}d_{ 03}^{2}+(d_{01}^{2}+d_{02}^{2}-d_{12}^{2})(d_{01}^{2}+d_{03}^ {2}-d_{13}^{2})(d_{02}^{2}+d_{03}^{2}-d_{23}^{2})\\[6pt]&{}- d_{01}^{2}(d_{02}^{2}+d_{03}^{2}-d_{23}^{2})^{2}-d_{02}^{2}( d_{01}^{2}+d_{03}^{2}-d_{13}^{2})^{2}-d_{03}^{2}(d_{01}^{2}+ d_{02}^{2}-d_{12}^{2})^{2}.\end{aligned}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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![{\displaystyle г}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{vmatrix}0&r^{2}&r^{2}&r^{2} &\cdots &r^{2}&1\\r^{2}&0&d_{01}^{2}&d_{ 02}^{2}&\cdots &d_{0n}^{2}&1\\r^{2}&d_{01}^{2}&0&d_{12}^{2}&\cdots &d_{1n}^{ 2}&1\\r^{2}&d_{02}^{2}&d_{12}^{2}&0&\cdots &d_{2n}^{2}&1\\\vdots &\vdots &\vdots &\ vdots &\ddots &\vdots &\vdots \\r^{2}&d_{0n}^{2}&d_{1n}^{2}&d_{2n}^{2}&\cdots &0&1\\1&1&1&1&\cdots &1&0\end{vmatrix}}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
В частности, когда это дает радиус описанной окружности треугольника, выраженный в длинах его ребер.![{\displaystyle n=2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]
![{\displaystyle \det {\begin{bmatrix}0&d(AB)^{2}&d(AC)^{2}&1\\d(AB)^{2}&0&d(BC)^{2}&1\\d (AC)^{2}&d(BC)^{2}&0&1\\1&1&1&0\end{bmatrix}}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]
![{\displaystyle \det {\begin{bmatrix}0&d(AB)^{2}&d(AC)^{2}&d(AD)^{2}&1\\d(AB)^{2}&0&d(BC) ^{2}&d(BD)^{2}&1\\d(AC)^{2}&d(BC)^{2}&0&d(CD)^{2}&1\\d(AD)^{2} &d(BD)^{2}&d(CD)^{2}&0&1\\1&1&1&1&0\end{bmatrix}}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]
![{\displaystyle \det {\begin{bmatrix}0&d(AB)^{2}&d(AC)^{2}&d(AD)^{2}&d(AE)^{2}&1\\d(AB) ^{2}&0&d(BC)^{2}&d(BD)^{2}&d(BE)^{2}&1\\d(AC)^{2}&d(BC)^{2}&0&d(CD )^{2}&d(CE)^{2}&1\\d(AD)^{2}&d(BD)^{2}&d(CD)^{2}&0&d(DE)^{2}&1\ \d(AE)^{2}&d(BE)^{2}&d(CE)^{2}&d(DE)^{2}&0&1\\1&1&1&1&1&0\end{bmatrix}}=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle n+2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n-}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (n-1)-}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle п}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle А}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n+3}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n+3}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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.![{\displaystyle d}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n\times n}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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.![{\displaystyle n-1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Теорема. Матрица является евклидовой матрицей расстояний тогда и только тогда, когда для всех подматриц , где , . Чтобы иметь реализацию в размерности , если , то . [14]
![{\displaystyle n\times n}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Delta }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k\times k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle S}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Delta }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k\leq n}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \det({\hat {\delta _{S}}})\geq 0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Delta }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle |S|=k\geq d+2}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \det({\hat {\delta _{S}}})=0}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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 .
![{\displaystyle \Delta }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Гамма}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Выход
- Набор точек
![{\displaystyle P}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Процедура
- Если размерность фиксирована, мы можем решить систему полиномиальных уравнений, по одному для каждой записи внутреннего продукта , где переменные - это координаты каждой точки в желаемом измерении .
![{\displaystyle d}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Гамма}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle p_{1},...,p_{n}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle d}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- В противном случае мы можем решать по одной точке за раз.
- Решите координаты, используя его расстояния до всех ранее размещенных точек . Таким образом, представлено не более значений координат, что обеспечивает минимальную размерность и сложность.
![{\displaystyle p_{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle p_{1},...,p_{k-1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle p_{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k-1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Пример
Пусть каждая точка имеет координаты . Чтобы расставить первые три точки:![{\displaystyle p_{k}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {p_{k}^{1},p_{k}^{2},...}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Поставил в начало координат, так .
![{\displaystyle p_{1}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle p_{1}={0,0,...}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Поставил на первую ось, т.к.
![{\displaystyle p_{2}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle p_{2}={(\delta _{12})^{2},0,...}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Положить :
![{\displaystyle p_{3}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{cases}(p_{1}^{1}-p_{3}^{1})^{2}+(p_{1}^{2}-p_{3}^{2 })^{2}=(\delta _{13})^{2}\\(p_{2}^{1}-p_{3}^{1})^{2}+(p_{2} ^{2}-p_{3}^{2})^{2}=(\delta _{23})^{2}\end{cases}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \rightarrow {\begin{cases}p_{3}^{1}={\frac {(\delta _{12})^{2}+(\delta _{13})^{2}- (\delta _{23})^{2}}{2\delta _{12}}}\\p_{3}^{2}={\frac {\sqrt {(\delta _{31}+\ delta _{32}+\delta _{12})(\delta _{31}+\delta _{32}-\delta _{12})(\delta _{31}-\delta _{32}+ \delta _{12})(-\delta _{31}+\delta _{32}+\delta _{12})}}{2\delta _{01}}}\end{cases}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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]![{\displaystyle \Delta p_{1}p_{2}p_{3}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle n-1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle п}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
.
В приведенной выше формуле – определитель Кэли – Менгера. Положительный объем эквивалентен положительному определителю матрицы объема.![{\displaystyle \det({\hat {\Delta }})}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
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![{\displaystyle \{x_{i}\}_{i=1}^{n}\subseteq \mathbb {R} ^{K}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\begin{cases}x_{i}=0\\x_{i_{j}}(j-1)\neq 0,&{\mbox{ }}j\in I_{2,K+1 }\\x_{i_{j}}(i)=0,&{\mbox{ }}j\in I_{2,K},i\in I_{j,K},\end{cases}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
где реализует D, где обозначает компонент вектора .
![{\displaystyle l^{th}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle h^{th}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Подробное доказательство этой теоремы можно найти по следующей ссылке. [15]
Алгоритм — K = edmsph( D, x )
Источник: [15]
![{\displaystyle I=\{1,2\}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle K=1}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle (x_{1},x_{2})=(0,{\sqrt {D_{12}}})}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle {\text{for i}}\in \{3,...,n\}{\text{do}}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Γ
![{\displaystyle =\bigcap _{j\in I}S^{K}(x_{j},D_{ij})}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- если Г ∅; затем
![{\displaystyle =}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- вернуть ∞
- иначе, если Γ
![{\displaystyle =\{p_{i}\}{\text{ }}то}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle x_{i}=p_{i}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- иначе, если Γ
![{\displaystyle =\{p_{i}^{+},p_{i}^{-}\}{\text{ }}then}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle x_{i}=p_{i}^{+}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
← развернуть( )![{\displaystyle х}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- Я ← Я ∪ { я }
- К ← К + 1
- еще
- ошибка : dim aff(span( )) < K - 1
![{\displaystyle x_{j}}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- конец, если
конец возврата K
Смотрите также
Примечания
- ^ n -мерное тело не может быть погружено в k -мерное пространство, если
![{\displaystyle k<n.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
- ^ (Гипер)объем фигуры не зависит от порядка нумерации ее вершин.
Рекомендации
- ^ 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
- ^ http://ufo2.cite.ufl.edu/index.php/Distance_Geometry Геометрия расстояния
- ^ Шесть математических жемчужин из истории дистанционной геометрии
- ^ Соммервилл, DMY (1958). Введение в геометрию n измерений . Нью-Йорк: Dover Publications.
- ^ abcde Определитель Кэли-Менгера
- ^ ab Симплексная энциклопедия математики
- ^ «Симплексные объемы и определитель Кэли-Менгера» . www.mathpages.com . Архивировано из оригинала 16 мая 2019 года . Проверено 8 июня 2019 г.
- ^ Блюменталь, LM; Гиллам, Б.Э. (1943). «Распределение точек в n -пространстве». Американский математический ежемесячник . 50 (3): 181. дои : 10.2307/2302400. JSTOR 2302400.
- ^ Тао, Терренс (25 мая 2019 г.). «Сферический определитель Кэли – Менгера и радиус Земли». Что нового . Проверено 10 июня 2019 г.
- ^ Хит, Томас Л. (1921). История греческой математики (Том II) . Издательство Оксфордского университета. стр. 321–323.
- ^ Одет, Дэниел. «Сферические и гиперболические определители Кэли – Менгера» (PDF) . Бюллетень AMQ . ЛИ : 45–52.
- ^ Дорри, Генрих (1965). 100 великих задач элементарной математики . Нью-Йорк: Dover Publications. стр. 285–9.
- ^ Вики-страница abc Distance Geometry
- ^ аб Ситхарам, Мира. «Лекции с 1 по 6». «Геометрическая сложность CIS6930, Университет Флориды. Поступила 28 марта 2020 г.
- ^ ab Реализация евклидовых матриц расстояний путем пересечения сфер