هندسة المسافة
هندسة المسافات هي فرع من الرياضيات يهتم بتوصيف ودراسة مجموعات النقاط بناءً على قيم المسافات المعطاة بين أزواج النقاط فقط . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] وبشكل أكثر تجريدًا، هي دراسة الفضاءات شبه المترية والتحويلات المتساوية القياس بينها. من هذا المنظور، يمكن اعتبارها موضوعًا ضمن الطوبولوجيا العامة . [ 4 ]
تاريخياً، كانت أول نتيجة في هندسة المسافة هي صيغة هيرون في القرن الأول الميلادي. بدأت النظرية الحديثة في القرن التاسع عشر مع عمل آرثر كايلي ، تلتها تطورات أكثر شمولاً في القرن العشرين على يد كارل مينجر وآخرين.
تنشأ مشاكل هندسة المسافة كلما احتاج المرء إلى استنتاج شكل مجموعة من النقاط ( المواقع النسبية ) من المسافات بينها، كما هو الحال في علم الأحياء ، [ 4 ] وشبكات الاستشعار ، [ 5 ] والمسح ، والملاحة ، ورسم الخرائط ، والفيزياء .
مقدمة وتعريفات
سيتم أولاً شرح مفاهيم هندسة المسافة من خلال وصف مشكلتين محددتين.

المشكلة الأولى: الملاحة الزائدية
لنفترض وجود ثلاث محطات راديو أرضية A وB وC، مواقعها معروفة. يوجد جهاز استقبال راديو في موقع غير معروف. ما هي المدة الزمنية التي تستغرقها إشارة الراديو للانتقال من المحطات إلى جهاز الاستقبال؟، غير معروفة، لكن الفروق الزمنية،ووهي معروفة. ومنها يمكن معرفة فروق المسافةوومنها يمكن تحديد موقع جهاز الاستقبال.
المشكلة الثانية: تقليل الأبعاد
في تحليل البيانات ، غالبًا ما يتم إعطاء المرء قائمة من البيانات ممثلة كمتجهاتويجب تحديد ما إذا كانت هذه البيانات تقع ضمن فضاء فرعي أفيني منخفض الأبعاد. يتميز تمثيل البيانات منخفض الأبعاد بالعديد من المزايا، مثل توفير مساحة التخزين ووقت الحساب، وإعطاء فهم أفضل للبيانات.
التعريفات
والآن نقوم بصياغة بعض التعريفات التي تنشأ بشكل طبيعي من خلال النظر في مشاكلنا.
الفضاء شبه المتري
بالنظر إلى قائمة النقاط المتعلقة بـ،يمكننا تحديد المسافات بين أزواج النقاط بشكل تعسفي من خلال قائمة من ،وهذا يُعرّف فضاءً شبه متري : فضاء متري بدون متباينة المثلث .
بشكل صريح، نُعرّف الفضاء شبه المتري بأنه مجموعة غير فارغةمجهز بنصف متريبحيث يكون ذلك، بالنسبة للجميع،
- الإيجابية: إذا وفقط إذا .
- التناظر:.
أي فضاء متري هو من باب أولى فضاء شبه متري. على وجه الخصوص،، الالفضاء الإقليدي ذو الأبعاد n هو الفضاء المتري المتعارف عليه في هندسة المسافة.
تم حذف متباينة المثلث من التعريف، لأننا لا نريد فرض المزيد من القيود على المسافات.أكثر من مجرد اشتراط أن تكون إيجابية.
عمليًا، تنشأ الفضاءات شبه المترية بشكل طبيعي من القياسات غير الدقيقة. على سبيل المثال، بالنظر إلى ثلاث نقاطعلى خط، معقد يؤدي القياس غير الدقيق إلى نتائج غير دقيقة.، مما ينتهك متباينة المثلث.
التضمين المتساوي القياس
بالنظر إلى فضاءين شبه متريين،، تضمين متساوي القياس منلهي خريطةوهذا يحافظ على شبه المقياس، أي لجميع،.
على سبيل المثال، بالنظر إلى الفضاء شبه المتري المحدودكما هو موضح أعلاه، تضمين متساوي القياس منليتم تعريفها بواسطة النقاطبحيثللجميع.
الاستقلال الوثني
بالنظر إلى النقاطتُعرَّف بأنها مستقلة خطيًا إذا وفقط إذا لم يكن بالإمكان وضعها داخل عنصر واحدالفضاء الأفيني ذو الأبعاد n من، لأي، إذا- سيمبلكس يمتدون،له إيجابي-الحجم، أي.
بشكل عام، عندماهي مستقلة خطيًا، لأن أي مجسم بسيط من الرتبة n غير منحل. على سبيل المثال، ثلاث نقاط في المستوى، عمومًا، ليست على استقامة واحدة، لأن المثلث الذي تشكله لا يتحول إلى قطعة مستقيمة . وبالمثل، أربع نقاط في الفضاء، عمومًا، ليست في مستوى واحد، لأن الهرم الرباعي الذي تشكله لا يتحول إلى مثلث مسطح.
متىيجب أن يكونوا معتمدين على بعضهم البعض. ويمكن ملاحظة ذلك من خلال ملاحظة أن أي-معقد بسيط يمكن وضعه في الداخليجب أن يكون "مسطحًا".
محددات كايلي-مينجر
محددات كايلي-مينجر، التي سميت على اسم آرثر كايلي وكارل مينجر، هي محددات لمصفوفات المسافات بين مجموعات النقاط.
يتركإذا كانت n + 1 نقطة في فضاء شبه متري، فإن محدد كايلي-مينجر الخاص بها يُعرَّف كما يلي:
لوثم تشكل هذه العناصر رؤوسًا لمركبة بسيطة من الرتبة n قد تكون متدهورةفييمكن إثبات أن [ 6 ] حجم المجسم البسيط ذو البعد nيرضي
لاحظ أنه في حالةلدينا، مما يعني أن "الحجم ذو البعد الصفري" لـ 0-simplex هو 1، أي أن هناك نقطة واحدة في 0-simplex.
مستقلة بشكل أفي إذا وفقط إذا، إنه،وبالتالي فإن محددات كايلي-مينجر توفر طريقة حسابية لإثبات الاستقلال الأفيني.
لوإذاً، يجب أن تكون النقاط تابعة خطياً، وبالتاليتناولت ورقة كايلي البحثية لعام 1841 الحالة الخاصة لـأي خمس نقاطيجب أن يكون في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
تاريخ
أولى نتائج هندسة المسافات هي صيغة هيرون ، التي تعود إلى القرن الأول الميلادي، والتي تُعطي مساحة المثلث من المسافات بين رؤوسه الثلاثة. أما صيغة براهمغوبتا ، التي تعود إلى القرن السابع الميلادي، فقد عممتها لتشمل الأشكال الرباعية الدائرية . وفي القرن السادس عشر الميلادي، عممها تارتاليا ليعطي حجم رباعي الأوجه من المسافات بين رؤوسه الأربعة.
بدأت النظرية الحديثة لهندسة المسافة مع آرثر كايلي وكارل مينجر . [ 7 ] نشر كايلي محدد كايلي عام 1841، [ 8 ] وهو حالة خاصة من محدد كايلي-مينجر العام. أثبت مينجر عام 1928 نظرية توصيف لجميع الفضاءات شبه المترية القابلة للتضمين المتساوي القياس في الفضاء الإقليدي ذي الأبعاد n .[ 9 ] [ 10 ] في عام 1931 ، استخدم مينجر علاقات المسافة لتقديم معالجة بديهية للهندسة الإقليدية. [ 11 ]
يقدم كتاب ليونارد بلومنتال [ 12 ] نظرة عامة على هندسة المسافة على مستوى الدراسات العليا، وقد تم تناول جزء كبير منها باللغة الإنجليزية لأول مرة عند نشره.
نظرية مينجر للتوصيف
أثبت مينجر نظرية التوصيف التالية للفضاءات شبه المترية: [ 2 ]
فضاء شبه مترييمكن تضمينها بشكل متساوي القياس فيفضاء إقليدي ذو أبعادلكن ليس فيلأي، إذا وفقط إذا:
- يحتوي علىمجموعة فرعية من النقاطأي متساوي القياس مع مستقل خطيًامجموعة فرعية من النقاط؛
- أيمجموعة فرعية من النقاط، والتي يتم الحصول عليها بإضافة أي نقطتين إضافيتين منل، متطابق معمجموعة فرعية من النقاط.
يوجد برهان لهذه النظرية في شكل مخفف قليلاً (للفضاءات المترية بدلاً من الفضاءات شبه المترية) في [ 13 ] .
التوصيف عبر محددات كايلي-مينجر
تم إثبات النتائج التالية في كتاب بلوميثال. [ 12 ]
تضمين n + 1 نقطة في الأعداد الحقيقية
بالنظر إلى فضاء شبه متري، مع، و ،، تضمين متساوي القياس لـداخليتم تعريفها بواسطةبحيثللجميع.
ومرة أخرى، يتساءل المرء عما إذا كان مثل هذا التضمين متساوي القياس موجودًا لـ.
الشرط الضروري واضح: للجميع، يتركليكن k -simplex المتكون بواسطة ، ثم
وينطبق العكس أيضاً. أي، إذا كان لكل،
إذن، يوجد مثل هذا التضمين.
علاوة على ذلك، فإن هذا التضمين فريد من نوعه حتى التساوي في القياسأي، بالنظر إلى أي تضمينين متساويي القياس معرفين بواسطة، ويوجد تماثل (ليس بالضرورة فريدًا)بحيثللجميع. هذهيكون فريدًا إذا وفقط إذا، إنه،مستقلون بشكل تقاربي.
تضمين النقاط n + 2 و n + 3
لونقاطيمكن تضمينها فيمثلإذن، بالإضافة إلى الشروط المذكورة أعلاه، هناك شرط ضروري إضافي وهو أن-simplex يتكون من لا يجب أن يكون لديهحجم ذو أبعاد. أي،.
وينطبق العكس أيضاً. أي، إذا كان لكل،
و
إذن، يوجد مثل هذا التضمين.
للتضمينالنقاط في، والشروط الضرورية والكافية متشابهة:
- للجميع،؛
تضمين العديد من النقاط بشكل عشوائي
التبين أن الحالة كافية بشكل عام.
بشكل عام، بالنظر إلى فضاء شبه متري، ويمكن تضمينه بشكل متساوي القياس فيإذا وفقط إذا كان هناكبحيث يكون ذلك، بالنسبة للجميع،ولأي،
وهذا التضمين فريد من نوعه حتى التماثل في.
علاوة على ذلك، إذاإذاً، لا يمكن تضمينه بشكل متساوي القياس في أيويكون هذا التضمين فريدًا حتى التماثل الفريد في.
وبالتالي، توفر محددات كايلي-مينجر طريقة ملموسة لحساب ما إذا كان من الممكن تضمين فضاء شبه متري في، لبعض القيم المحدودةوإذا كان الأمر كذلك، فما هو الحد الأدنى؟.
التطبيقات
توجد العديد من تطبيقات هندسة المسافة. [ 3 ]
في شبكات الاتصالات مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، تُعرف مواقع بعض أجهزة الاستشعار (التي تُسمى نقاط التثبيت) وبعض المسافات بينها؛ وتكمن المشكلة في تحديد مواقع جميع أجهزة الاستشعار. [ 5 ] يُعدّ الملاحة القطعية إحدى التقنيات السابقة لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التي تستخدم هندسة المسافة لتحديد مواقع السفن بناءً على الوقت الذي تستغرقه الإشارات للوصول إلى نقاط التثبيت.
توجد العديد من التطبيقات في الكيمياء. [ 4 ] [ 12 ] يمكن لتقنيات مثل الرنين المغناطيسي النووي قياس المسافات بين أزواج الذرات في جزيء معين، وتكمن المشكلة في استنتاج الشكل ثلاثي الأبعاد للجزيء من تلك المسافات.
بعض حزم البرامج للتطبيقات هي:
- DGSOL . يحل مشاكل الهندسة ذات المسافات الكبيرة في نمذجة الجزيئات الكبيرة .
- برنامج Xplor-NIH . يعتمد على برنامج X-PLOR ، لتحديد بنية الجزيئات بناءً على بيانات من تجارب الرنين المغناطيسي النووي. يحل البرنامج مسائل هندسة المسافة باستخدام طرق استدلالية (مثل التلدين المحاكي ) وطرق بحث محلية (مثل تقليل التدرج المترافق ).
- برنامج تينكر . نمذجة وتصميم الجزيئات. يمكنه حل مسائل هندسة المسافة.
- SNLSDPclique . كود MATLAB لتحديد مواقع أجهزة الاستشعار في شبكة الاستشعار بناءً على المسافات بين أجهزة الاستشعار.
انظر أيضاً
- مصفوفة المسافة الإقليدية
- القياس متعدد الأبعاد (تقنية إحصائية تستخدم عند قياس المسافات بأخطاء عشوائية)
- المساحة المترية
- معادلة تارتاليا
- التثليث
- التثليث
مراجع
- ↑ يميني، ي. (1978). "مشكلة تحديد المواقع - مسودة ملخص وسيط". مؤتمر شبكات الاستشعار الموزعة، بيتسبرغ .
- 1 2 ليبرتي، ليو؛ لافور، كارليل؛ ماكولان، نيلسون؛ موتشيرينو، أنطونيو (2014). "هندسة المسافة الإقليدية وتطبيقاتها". مجلة SIAM Review . 56 : 3-69 . arXiv : 1205.0349 . doi : 10.1137/120875909 . S2CID 15472897 .
- 1 2 موتشيرينو، أ.؛ لافور، س.؛ ليبرتي، ل.؛ ماكولان، ن. (2013). هندسة المسافة: النظرية والأساليب والتطبيقات .
- 1 2 3 كريبن، جي إم؛ هافيل، تي إف (1988). هندسة المسافة والتشكيل الجزيئي . جون وايلي وأولاده.
- 1 2 بيسواس، ب.؛ ليان، ت.؛ وانغ، ت.؛ يي، ي. (2006). "خوارزميات قائمة على البرمجة شبه المحددة لتحديد موقع شبكة الاستشعار". معاملات ACM في شبكات الاستشعار . 2 (2): 188-220 . doi : 10.1145/1149283.1149286 . S2CID 8002168 .
- ↑ "أحجام سيمبلكس ومحدد كايلي-مينجر" . www.mathpages.com . مؤرشف من الأصل بتاريخ 16 مايو 2019. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 يونيو 2019 .
- ↑ ليبرتي، ليو؛ لافور، كارليل (2016). "ستة جواهر رياضية من تاريخ هندسة المسافة". المعاملات الدولية في بحوث العمليات . 23 (5): 897-920 . arXiv : 1502.02816 . doi : 10.1111/itor.12170 . ISSN 1475-3995 . S2CID 17299562 .
- ↑ كايلي، آرثر (1841). "حول نظرية في هندسة الموضع". مجلة كامبريدج الرياضية . 2 : 267-271 .
- ^ منجر ، كارل (12/1928/01). "Unter suchungen über allgemeine Metrik". Mathematische Annalen (باللغة الألمانية). 100 (1): 75-163 . دوى : 10.1007 / BF01448840 . ردمك 1432-1807 . S2CID 179178149 .
- ↑ بلومنتال، إل إم؛ جيلام، بي إي (1943). "توزيع النقاط في الفضاء ذي الأبعاد n " . المجلة الرياضية الأمريكية الشهرية . 50 (3): 181. doi : 10.2307/2302400 . JSTOR 2302400 .
- ↑ مينجر، كارل (1931). "أساس جديد للهندسة الإقليدية". المجلة الأمريكية للرياضيات . 53 (4): 721-745 . doi : 10.2307/2371222 . ISSN 0002-9327 . JSTOR 2371222 .
- 1 2 3 بلومنتال، ليونارد م. (1953). نظرية وتطبيقات هندسة المسافة . مطبعة جامعة أكسفورد.( الطبعة الثانية ، تشيلسي: 1970)
- ↑ باورز، جون سي؛ باورز، فيليب إل. (13 ديسمبر 2017). "إعادة طرح مينجر: تضمين الفضاءات المترية بشكل متساوي القياس في الفضاء الإقليدي". المجلة الرياضية الأمريكية الشهرية . 124 (7): 621. doi : 10.4169/amer.math.monthly.124.7.621 . S2CID 50040864 .
- الهندسة المترية
- المحددات
