Кіріспе
Жазықтықты түзу сызықтармен бөлу Геометрияда түзу сызықтардың орналасуы – түзу сызықтар жиынтығымен жазықтықтың бөлінуі. Мұндай орналасулардың қасиеттерін есептеу мәселелері дискретті геометрияда зерттелген, ал есептеу геометриясы мамандары осындай орналасуларды тиімді құруға арналған алгоритмдерді жасады.
In geometry, an arrangement of lines is the subdivision of the plane formed by a collection of lines. Problems of counting the features of arrangements have been studied in discrete geometry, and computational geometers have found algorithms for the efficient construction of arrangements.
Анықтама
Интуитивті түрде, жазықтықтағы кез келген шекті сызықтар жиыны жазықтықты екі өлшемді көпбұрыштарға (жасушаларға), бір өлшемді сызық сегменттеріне немесе сәулелерге және нөлдік өлшемді қиылыс нүктелеріне бөледі. Бұл математикалық тұрғыдан жазықтықтың нүктелерін әрбір сызықтың қай жағында екендігіне қарай жіктеу арқылы формальдастыруға болады. Әрбір сызық жазықтықты екі ашық жарты жазықтыққа бөледі, ал жазықтықтың әрбір нүктесі бір сызыққа қатысты үш мүмкіндікке ие: ол осы екі жарты жазықтықтың бірінде орналасуы мүмкін немесе сызықтың өзінде болуы мүмкін. Екі нүкте эквивалентті деп есептелуі мүмкін, егер олар барлық сызықтарға қатысты бірдей жіктелуге ие болса. Бұл эквиваленттік қатынас, ал оның эквиваленттік сыныптары эквивалентті нүктелердің ішкі жиындарын құрайды. Бұл ішкі жиындар жазықтықты келесі үш түрге бөледі: Орналасудың жасушалары немесе камералары – бұл кез келген сызықтың бөлігі емес екі өлшемді аймақтар. Олар шектелген дөңес көпбұрыштардың немесе шектелмеген дөңес аймақтардың ішкі бөліктерін құрайды. Егер жазықтық барлық сызықтар бойынша кесілсе, олар кесілмеген нүктелердің байланысқан компоненттері болып табылады. Орналасудың жиектері немесе панельдері – бір сызыққа жататын бір өлшемді аймақтар. Олар – ашық сызық сегменттері және әрбір сызықтың басқа сызықтармен қиылыс нүктелерімен бөлінген ашық шексіз сәулелер. Яғни, егер бір сызық барлық басқа сызықтармен қиылысса, олар оның кесілмеген нүктелерінің байланысқан компоненттері болып табылады. Орналасудың төбелері – екі немесе одан көп сызыққа жататын, сол сызықтардың қиылыс нүктелері болып табылатын оқшауланған нүктелер. Жасушаның шекарасы – оған жанасатын жиектердің жиынтығы, ал жиектің шекарасы – оған жанасатын төбелердің жиынтығы (сәуле үшін бір төбе, сызық сегменті үшін екі төбе). Осы шекара операторымен байланысты барлық үш түрдегі объектілердің жиынтығы жазықтықты жабатын жасуша кешенін құрайды. Екі орналасу изоморфты немесе комбинаторлық түрде эквивалентті деп айтылады, егер олардың байланысқан жасуша кешендеріндегі объектілер арасында шекараны сақтайтын бір-бірге сәйкестік болса. Нүктелердің бірдей жіктелуі және эквиваленттік сыныптардың бірдей пішіндері шексіз, бірақ жергілікті шекті орналасулар үшін де қолданылуы мүмкін, онда жазықтықтың кез келген шектелген ішкі жиыны тек шекті сандағы сызықтармен қиылысуы мүмкін, бірақ бұл жағдайда шексіз жасушалар шексіз көп қабырғаға ие болуы мүмкін.
The cells or chambers of the arrangement are two dimensional regions not part of any line. They form the interiors of bounded convex polygons or unbounded convex regions. If the plane is cut along all of the lines, these are the connected components of the points that remain uncut. The edges or panels of the arrangement are one dimensional regions belonging to a single line. They are the open line segments and open infinite rays into which each line is partitioned by its crossing points with the other lines. That is, if one of the lines is cut by all the other lines, these are the connected components of its uncut points. The vertices of the arrangement are isolated points belonging to two or more lines, where those lines cross each other. The boundary of a cell is the system of edges that touch it, and the boundary of an edge is the set of vertices that touch it (one vertex for a ray and two for a line segment). The system of objects of all three types, linked by this boundary operator, form a cell complex covering the plane. Two arrangements are said to be isomorphic or combinatorially equivalent if there is a one to one boundary preserving correspondence between the objects in their associated cell complexes. The same classification of points, and the same shapes of equivalence classes, can be used for infinite but locally finite arrangements, in which every bounded subset of the plane may be crossed by only finitely many lines, although in this case the unbounded cells may have infinitely many sides.
Жобалаушылық құрылымдар және жобалаушылық қосарлану
Көп жағдайда сызықтарды Евклид жазықтығында емес, проективті жазықтықта зерттеу ыңғайлы, себебі проективті геометрияда сызықтардың кез келген жұбының қиылысу нүктесі болады. Проективті жазықтықта сызықтардың жақтарын пайдаланып орналасуды анықтау мүмкін емес, өйткені проективті жазықтықтағы сызық жазықтықты екі бөлек жаққа бөлмейді. Дегенмен, орналасудың ұяшықтарын кез келген сызыққа жатпайтын нүктелердің байланысқан компоненттері, жиектерін бір сызыққа жататын нүктелер жиынының байланысқан компоненттері, ал төбелерін екі немесе одан көп сызықтың қиылысу нүктелері деп анықтауға болады. Проективті жазықтықтағы сызық орналасуы Евклидтік аналогынан ерекшеленеді, өйткені сызықтың екі шетіндегі екі Евклидтік сәуле проективті жазықтықтағы бір жиекпен алмастырылады, ол сол сызықтағы ең сол және оң жақ төбелерін қосады, ал шексіз Евклидтік ұяшықтардың жұптары проективті жазықтықта шексіз проективті сызықпен қиылысатын бір ұяшықтармен алмастырылады. Проективті дуалдыққа байланысты, жазықтықтағы нүктелердің комбинаторлық қасиеттері туралы көптеген мәлімдемелер сызықтардың орналасуы туралы эквивалентті дуалдық формада оңай түсіндірілуі мүмкін. Мысалы, Сильвестр-Галлай теоремасы, жазықтықтағы коллинеар емес нүктелердің кез келген жиынында дәл екі нүктеден тұратын бір түзу болатынын айтады, проективті дуалдық астында шек саны бар сызықтардың проективті орналасуының кез келген нүктесінде, тек екі сызық қиылысатын төбеге айналады. Сильвестр-Галлай теоремасының ең ерте дәлелі, , Эйлер сипаттамасын мұндай төбе әрқашан болуы керек екенін көрсету үшін пайдаланады.
Көп торлы және ромб тәрізді плиткалар
Қарапайым түзулердің орналасуының дуалдық графигі геометриялық түрде ромбтар жиынтығы ретінде бейнеленеді, әрбір ромб орналасудың бір түйініне сәйкес келеді және оның қабырғалары сол түйінде қиылысатын түзулерге перпендикуляр болады. Бұл ромбтар шекті сандағы түзулердің орналасуы үшін дөңгелек көпбұрыштың плиткасын құру үшін біріктірілуі мүмкін, ал шексіз сандағы түзулердің жергілікті шекті орналасуы үшін – бүкіл жазықтықтың плиткасын құруы мүмкін. Бұл құрылым кейде Рудольф Клеедің 1938 жылғы жарияланымынан кейін Клее диаграммасы деп аталады, онда осы техника қолданылған. Дегенмен, әрбір ромб плиткасы осылайша түзулерден туындамайды. Осы құрылымның ерекше жағдайларын, түзулердің орналасуы тең аралықтағы параллель түзулер жиынтығынан тұратын жағдайларды зерттеді. Параллель түзулердің екі перпендикуляр отбасы үшін бұл құрылым жазықтықтың әдеттегі шаршы плиткасын береді, ал бір-біріне 120 градус бұрышпен орналасқан үш түзу отбасы үшін (өзі үшбұрышты плитканы құрайтын) – ромбильді плитканы жасайды. Бірақ, түзулердің саны көбейгенде бұл құрылым апериодты плиткаларды тудырады. Атап айтқанда, бір-біріне тең бұрыштармен орналасқан бес түзу отбасы үшін (немесе де Брюйн бұл орналасуды пентагрид деп атайды) Пенроз плиткаларының ромбилік нұсқасын қамтитын плиткалар отбасы жасалады. Сонымен қатар, параллель түзулер жиынтығынан құралған үш шексіз симплекстік орналасу бар. Тетракис шаршы плиткасы – төрт параллель отбасы бар мультиторға ұқсас, периодты плитканы құрайтын түзулердің шексіз орналасуы, бірақ мұндағы отбасылардың екеуі қалған екеуіне қарағанда кеңірек араласқан, және орналасу симплекстік, қарапайым емес. Оның дуалы – кесілген шаршы плиткасы. Сол сияқты, үшбұрышты плитка – үш параллель отбасы бар шексіз симплекстік түзу орналасуы, оның дуалы – алтыбұрышты плитка, ал екіге бөлінген алтыбұрышты плитка – алты параллель отбасы және екі түзу аралығы бар шексіз симплекстік түзу орналасуы, үлкен ромботригексагональ плитканың дуалы. Бұл үш мысал Евклид жазықтығындағы үш аффиналық шағылысу тобынан алынған, бұл жүйелердегі әрбір түзуге қатысты шағылысқа негізделген симметрия жүйелері.
Алгоритмдер
Қалыпты құру дегеніміз – қалыптағы түзулердің тізімін кіргізу арқылы қалыптың төбелері, қабырғалары және жасушаларының бейнесін, сондай-ақ осы объектілер арасындағы байланыстарды, мысалы, екі жақты байланысқан қабырға тізімі түрінде есептеу. Аймақ теоремасының арқасында, қалыптарды инкременттік алгоритм арқылы тиімді құруға болады, ол әрбір ретте бір түзуді бұрыннан құрылған қалыпқа қосады: әрбір жаңа түзу оның аймағына пропорционалды уақытта қосылуы мүмкін, нәтижесінде қалыпты құрудың жалпы уақыты белгілі бір шаманы құрайды. Сонымен қатар, зерттеушілер қалыптың кішігірім бөліктерін, мысалы аймақтарды, деңгейлерді немесе белгілі бір нүктелер жиынтығын қамтитын жасушаларды құруға арналған тиімді алгоритмдерді зерттеді. Медианалық координатасы бар қалыптың төбесін табу мәселесі (қос формада) берілген нүктелер жиынтығының Тейл-Сен бағалаушысын есептеу мәселесі ретінде мықты статистикада туындайды. Марк ван Кревельд түзулер қалыбындағы төбелер арасындағы ең қысқа жолдарды есептеу алгоритмік мәселесін ұсынды, онда жолдар қалыптың қабырғаларымен шектеледі, бұл қалыптың толық графигіне ең қысқа жол алгоритмін қолдануға кеткен квадраттық уақыттан тез. Жақындау алгоритмі белгілі, және мәселені параллель отбасылардың аз санына жататын түзулер үшін тиімді шешуге болады (қалалық көшелер желілеріне тән), бірақ жалпы мәселе әлі де ашық күйде қалады.
As well, researchers have studied efficient algorithms for constructing smaller portions of an arrangement, such as zones, levels, or the set of cells containing a given set of points. The problem of finding the arrangement vertex with the median coordinate arises (in a dual form) in robust statistics as the problem of computing the Theil–Sen estimator of a set of points. Marc van Kreveld suggested the algorithmic problem of computing shortest paths between vertices in a line arrangement, where the paths are restricted to follow the edges of the arrangement, more quickly than the quadratic time that it would take to apply a shortest path algorithm to the whole arrangement graph. An approximation algorithm is known, and the problem may be solved efficiently for lines that fall into a small number of parallel families (as is typical for urban street grids), but the general problem remains open.