Пересечение полуплоскостей, связь с выпуклыми оболочками

2020-07-14T18:14:34Z

83.239.4.58: /* Связь пересечения полуплоскостей с выпуклой оболочкой */

[[Файл:samplesHalfspaces.png|400px|thumb|right|Пересечение существует и выпукло, неограниченно или пусто]]

== Предикат трех прямых ==
Задача: есть конечное множество полуплоскостей, найти фигуру их пересечения или сообщить что оно пусто.

Для начала заметим, что если пересечение не пусто, то оно выпукло. (Доказательство {{---}} Пересечение выпуклых фигур выпукло, а полуплоскость выпукла)

Пусть полуплоскости заданы уравнениями прямых и ориентацией, с какой стороны от прямой лежит полуплоскость.

Сначала рассмотрим все полуплоскости, которые "смотрят", то есть ориентированны, вниз. Аналогично можно рассмотреть все полуплоскости, которые ориентированны вверх.

{{Лемма
|statement=
[[Файл:halfSpaces.png|400px|thumb|right|Нужна ли полуплоскость <tex> l'' </tex>?]]
Предикат проверки (см. рисунок) того, что прямая <tex> l'' : A''x + B''y + C'' = 0 </tex> лежит над пересечением прямых <tex> l : Ax + By + C = 0 </tex> и <tex> l' : A'x + B'y + C' = 0 </tex> равен знаку определителя <tex>
\begin{vmatrix}
A & B & C \\
A' & B' & C' \\
A'' & B'' & C''
\end{vmatrix}
</tex>.
|proof=
Для проверки предиката нужно определить знак выражения <tex> A''x_0 + B''y_0 + C'' </tex>, где <tex> (x_0, y_0) </tex> {{---}} точка пересечения прямых <tex> l' </tex> и <tex> l </tex>. Эта точка находится из уравнения <tex> \begin{pmatrix}
A & B\\
A' & B'
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
x_0\\
y_0
\end{pmatrix} =
\begin{pmatrix}
-C\\
-C'
\end{pmatrix}
</tex>. Решением будет <tex>
\begin{pmatrix}
x_0\\
y_0
\end{pmatrix} =
\frac{
\begin{pmatrix}
B' & -B\\
-A' & A
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
-C\\
-C'
\end{pmatrix}}
{
\begin{vmatrix}
A & B\\
A' & B'
\end{vmatrix}
}
</tex>. Подставим это решение в <tex> A''x_0 + B''y_0 + C'' </tex> и домножим на определитель.

<tex>
A'' \left<(B'; -B);(-C; -C')\right> + B'' \left<(-A'; A);(-C; -C')\right> + C'' \begin{vmatrix} A & B \\ A' & B' \end{vmatrix} =
</tex>

<tex>
= A'' \begin{vmatrix} B' & B \\ -C' & -C \end{vmatrix} - B'' \begin{vmatrix} A' & A \\ -C' & -C \end{vmatrix} + C'' \begin{vmatrix} A & A' \\ B & B' \end{vmatrix} =
</tex>

<tex>
= A'' \begin{vmatrix} B' & B \\ -C' & -C \end{vmatrix} - B'' \begin{vmatrix} A' & A \\ -C' & -C \end{vmatrix} - C'' \begin{vmatrix} A' & A \\ B' & B \end{vmatrix}
= \begin{vmatrix} A'' & A' & A \\ B'' & B' & B \\ -C'' & -C' & -C \end{vmatrix} =
</tex>
<tex>
= \begin{vmatrix} A & B & C \\ A' & B' & C' \\ A'' & B'' & C'' \end{vmatrix}
</tex>
}}

Таким образом, если представить прямую <tex> Ax + By + C = 0 </tex> как точку с однородными координатами <tex> (A, B, C) </tex>, то этот предикат {{---}} всего лишь поворот, а проверка предиката {{---}} проверка очередной точки в [[Статические выпуклые оболочки: Джарвис, Грэхем, Эндрю, Чен, QuickHull#Алгоритм Грэхема|обходе Грэхема]] для нахождения выпуклой оболочки.

Алгоритм:
* Отсортировать все полуплоскости по углу наклона;
* Запустить обход Грэхема для полуплоскостей, смотрящих вниз (с предикатом-определителем);
* Запустить обход Грэхема для полуплоскостей, смотрящих вверх;
* Пересечь две цепочки.

От пересечения цепочек напрямую зависит фигура пересечения: неограниченная область получается если одна из цепочек пуста, а ограниченная {{---}} когда обе цепочки не пусты и пересекаются.

== Связь пересечения полуплоскостей с выпуклой оболочкой ==

{{Лемма
|id=1
|statement= Пересечение полуплоскостей может быть получено построением выпуклой оболочки в [[двойственное пространство|двойственном прострастве]] для множества точек, являющихся дуальным преобразованием исходных полуплоскостей
|proof=
[[Файл:DualSpaceCH.png ‎ |400px|thumb|right| Множество точек в двойственном пространстве]]
[[Файл:DualSpaceCH400.png |400px|thumb|right| Множество прямых в исходном пространстве]]

'''Важно:''' Покажем конструктивный алгоритм для множестве полуплоскостей, не содержащих вертикальный полуплоскости. После леммы приведены два рассуждения, позволяющие снять данное ограничение.

'''Важно:''' В картинке перепутаны <tex>P</tex> и <tex>P^\star</tex>. TODO

Рассмотрим планарный случай и предположим, что вертикальные и параллельные прямые отсутствуют (в конце приведем два способа решения данной проблемы).

Пусть у нас есть множество ориентированных прямых, каждая из которых задает полуплоскость(направление вектора нормали задаёт нужную полуплоскость).
Тогда каждую плоскость мы можем превратить в точку в двойственном пространстве: <tex> P(p_x, p_y) \Rightarrow P^\star (p_x x - p_y)</tex>.

Далее воспользуемся основными свойствами дуальной трансформации (см. доказательтсво в конспекте о [[двойственное пространство|двойственном прострастве]]):
#<tex>p</tex> <tex>\in</tex> <tex>l</tex> <tex>\Leftrightarrow</tex> <tex>l^\star</tex> <tex>\in</tex> <tex>p^\star</tex>, где <tex>p</tex> - точка в исходном пространстве, <tex>l</tex> - прямая в исходном пространстве, <tex>l^\star</tex>, <tex>p^\star</tex> - их дуальное отображение.
#<tex>p</tex> лежит "над" <tex>l</tex> <tex>\Leftrightarrow</tex> <tex>l^\star</tex> лежит "над" <tex>p^\star</tex>

'''Важно 2:'''
* <tex>p^\star</tex> - точка в двойственном пространстве, <tex>p</tex> - линия в исходном,
* <tex>l^\star</tex> - прямая в двойственном пространстве, <tex>l</tex> - точка в исходном,
* Значок <tex>*</tex> означает, что элемент из двойственного пространства.
Рассмотрим множество точек(<tex>P^\star</tex>) в двойственном пространстве и рассмотрим верхнюю часть выпуклой оболочки, построенной на этих точках. Обозначим её за <tex>\mathcal{UH}</tex>(Upper hull). Далее мы будем работать только с прямыми(в исходном пространстве), у которых вектор нормали направлен вниз, т.е они образовывают верхнюю цепочку.
По свойству выпуклой оболочки, любое ребро из цепи <tex>\mathcal{UH}</tex> содержит "ниже" себя все точки множества <tex>P^\star</tex>, а так же эта цепь соединяет самую правую точку с самой левой.

Рассмотрим какую-то точку <tex>p^\star \in P^\star</tex> и заметим, что она будет принадлежать цепи <tex>\mathcal{UH}</tex> <tex>\Leftrightarrow</tex> <tex>\exists</tex> прямая <tex>l^\star </tex> : <tex>p^\star \in l^\star</tex> и все точки из <tex>P^\star</tex> лежат ниже <tex>l^\star</tex> (сейчаc мы жили в двойственном пространстве). В обычном пространстве данный факт эквивалентен следующему:

*Дуальное отображение точки <tex>p^\star</tex> в базовое пространство {{---}} прямая <tex>p</tex>, которая по ''первому свойству'' содержит точку <tex>l</tex>(в базовом пространстве прямая <tex>p^\star</tex> перешла в точку <tex>p</tex>).
*Так как прямая <tex>l^\star</tex> лежит выше всех точек, то теперь каждая прямая из <tex>P</tex> лежит выше точки <tex>l</tex> (по свойству 2).

Итого: у нас есть точка <tex>l</tex> на прямой <tex>p</tex>, лежащая ниже всех остальных прямых из <tex>P</tex>.

Посмотрим на планарный граф множества(рис.2) прямых. Из факта выше, мы можем понять, что <tex>p</tex> внесла ребро в самый нижний фейс(именно тот, который задаёт часть пересечения полуплоскостей). Обозначим цепочку данного фейса, как <tex>\mathcal{LE}</tex>. Математически данную цепочку мы можем описать, как минимум из всех линейных функция (заданные прямыми) в <tex>P</tex>. Так же <tex>X</tex> компонента узлов этой цепочки монотонно возрастает.

Вернемся к <tex>\mathcal{UH}</tex> и заметим, что при обходе цепи, координата <tex>X</tex> точек растет. Если же мы будет обходить цепочку из <tex>P</tex>, образующую пересечение полуплоскостей, мы заметим, что наклон прямых уменьшается. Учитывая этот факт, и то что наклон линии из <tex>\mathcal{LE}</tex> совпадет с <tex>X</tex> координатой точки (вспоминаем отображение и применяем производную), можно сделать вывод, что обход слева направо точек из цепи <tex>\mathcal{UH}</tex>, совпадает с обходом точек из <tex>\mathcal{LE}</tex> справа налево.

(Обе линии монотоны, одна возрастает, другая убывает. Количество точек в массиве одинаковое, при это каждая точка из <tex>\mathcal{UH}</tex> внесла вклад в <tex>\mathcal{LE}</tex>)

Напоследок, cоседние точки <tex>p^\star</tex> и <tex>q^\star</tex> из <tex>P^\star</tex> образуют какое-то или принадлежат какому-то ребру <tex>\mathcal{UH}</tex> <tex>\Leftrightarrow</tex> все точки из <tex>P^\star</tex> лежат "ниже" линии, построенной на точках <tex>p^\star</tex> и <tex>q^\star</tex>. В исходном пространстве это означает: все прямые из пространства <tex>P</tex> за исключением прямых <tex>p</tex> и <tex>q</tex> лежат над пересечением <tex>p</tex> и <tex>q</tex>. Это достаточное условие, что пересечение <tex>p</tex> и <tex>q</tex> <tex>\in</tex> <tex>\mathcal{LE}</tex>.

Таким образом мы построили верхнее пересечение полуплоскостей. Аналогичным образом строится нижнее, затем мы пересекаем полученные две цепочки.
}}
Что же делать с вертикальными линиями?
# Найдем все вертикальным прямые за <tex>O(N)</tex>. Возьмем самую правую, у которой нормаль смотрит вправо, и самую левую, у которых нормаль смотрит влево. Построим верхнюю цепь и нижнюю цепь без всех вертикальных прямых, затем пересечем верхнюю цепь, нижнюю цепь, самую правую и самую левую вертикальную прямую.
# Перейдем в однородное двойственное пространство.

== Источники ==
* http://wwwisg.cs.uni-magdeburg.de/ag/lehre/SS2012/GAG/slides/V12.pdf
* Mark de Berg, Otfried Cheong, Marc van Kreveld, Mark Overmars (2008), Computational Geometry: Algorithms and Applications (3rd edition), Springer-Verlag, ISBN 978-3-540-77973-5 Chapter 11 page 253-254
[[Категория: Вычислительная геометрия]]

Викиконспекты - Вклад участника [ru]

Пересечение полуплоскостей, связь с выпуклыми оболочками