On the location of geometrical medians of triangles

Cover Page

Full Text

Abstract

The geometrical median is a natural spatial generalization of the statistical median of a one-dimensional sample. Thus the problem of computing the median of a finite set of points (a sample) on a straight line presents no difficulties, but unexpected difficulties arise in moving to the plane or to higher dimensional spaces, where the natural linear order of points is absent. While the mean of a multidimensional sample, as on a straight line, is calculated by taking the arithmetic mean, no such analytical formula is available for the geometric median. Moreover, such formulas are absent when we deal with geometrical medians of continuous objects located on a plane or in space. This raises the natural question of analytical estimates of the locations of geometric medians. This paper presents the solutions for two such simplest problems. Namely, the solution of the problem on estimating the location of the geometric median of the perimeter of a triangle and the solution of a similar problem on the geometric median of a triangular area. For both problems, we obtain exact estimates of the affine type.

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

Геометрическая (пространственная) медиана и некоторые ее обобщения широко используются в экономической теории, начиная с работ Вильгельма Лаунхардта и Альфреда Вебера по теории размещения производства (Murray, 2020, vol. 8, p. 237–243). Теория размещения со временем стала необходимым инструментом в экономической географии, региональной экономике и в экономике города. Например, геометрическая медиана успешно используется для отыскания оптимального расположения культурных центров, школ, медицинских центров или аварийно-спасательных служб на городской территории (Панов, 2017; Yao, Zhang, Murray, 2019).

Важнейшее свойство медианы числовой выборки заключается в том, что эта медиана минимизирует суммарное расстояние до всех элементов выборки. Именно это свойство минимальности положено в основу определения геометрической медианы для конечных наборов точек на плоскости. Далее это определение легко переносится на любое метрическое пространство, в том числе и на Евклидово пространство n. А с помощью интегрирования оно распространяется и на ограниченные подмногообразия любой размерности в n (Fekete, Mitchell, Beurer, 2005).

Уже давно разработаны эффективные численные методы отыскания геометрической медианы, но до сих пор отсутствуют общие аналитические формулы для ее вычисления (Bajaj, 1988). Точные формулы не известны даже для различного рода геометрических медиан обычных треугольников, и в связи с этим речь здесь пойдет об оценках местоположения таких медиан.

Существует три различных взгляда на треугольник. Можно считать, что это: трехточечное подмножество плоскости; замкнутая трехзвенная ломаная на плоскости; треугольная область на плоскости. В соответствии с этим имеются три рода геометрических медиан m0,m1,m2, связанных с треугольником:

m0=arg minX2AX+BX+CX;

m1=arg minX2PaPXdP+PbPXdP+PcPXdP; (1)

m2=arg minX2PabcPXdP. (2)

Здесь A,B,C — вершины треугольника; a,b,c — его стороны и abc — треугольная область, ограниченная сторонами a,b,c. Геометрическая медиана m0 — это точка Ферма–Торричелли треугольника ABC, формулы для вычисления которой хорошо известны1, — поэтому она исключается из обсуждения. Но для точек m1,m2 точные формулы отсутствуют. Однако удалось получить точные оценки аффинного типа для возможного расположения геометрических медиан m1 периметров треугольников и для расположения геометрических медиан m2 треугольных областей.

2. ОСНОВНОЙ РЕЗУЛЬТАТ

Теорема 1. Пусть задан произвольный треугольник δ, и пусть δ'  его образ при гомотетии с коэффициентом 1/4 с центром, расположенным в центроиде треугольника δ, а δ''  криволинейный треугольник, составленный из дуг трех гипербол. При этом вершины δ' совпадают с вершинами δ'', а каждая из трех гипербол имеет асимптотами две стороны треугольника δ и касается двух его медиан (рис. 1). Тогда:

  1. геометрическая медиана m1=m1δ треугольника δ лежит внутри треугольника δ'
  2. геометрическая медиана m2=m2δ треугольника δ лежит внутри треугольника δ''

 

 

Рис. 1. Геометрическая медиана m1(δ) содержится внутри подобного δ маленького треугольника δ′, а геометрическая медиана m2(δ) — в маленьком криволинейном треугольнике δ″

 

Рис. 1 служит иллюстрацией к теореме 1. На нем изображен треугольник δ со сторонами 9,7,5, соответствующие ему треугольник δ' и криволинейный треугольник δ'', а также две точки — геометрические медианы m1δ и m2δ.

Дополним геометрическое описание треугольников δ' и δ'', представленных в теореме 1, их аналитическим описанием.

Дополнение 1. Пусть задан треугольник δ=A1A2A3. Тогда стороны соответствующего ему треугольника δ' задаются следующими параметрическими уравнениями

hit=tAi+14Aj+34tAk, (3)

где i,j,k произвольная циклическая перестановка чисел 1, 2, 3, а параметр t меняется в пределах 1/4t1/2.

Дополнение 2. Для треугольника δ=A1A2A3 отрезки гипербол, ограничивающих соответствующий δ треугольник δ'' из теоремы 1, имеют параметрические уравнения вида

hit=122tAi+t1Aj+22t+t1Ak. (4)

Здесь i,j,k — произвольная циклическая перестановка чисел 1,2,3, а параметр t на этот раз меняется в пределах 1/2t2.

3. ОСНОВНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ

В этом разделе мы укажем основные инструменты, которые используются при доказательстве теоремы 1, а именно: барицентрические координаты, аффинные отображения, пространство треугольников, медианные отображения и вырожденные треугольники.

Барицентрические координаты (Балк, Болтянский, 1987). Пусть задан треугольник δ=A1A2A3. Тогда любая точка A внутри этого треугольника однозначно представляется в виде

A=λ1A1+λ2A2+λ3A3, (5)

где числа λ1,λ2,λ3 положительны и λ1+λ2+λ3=1.

Набор из этих трех чисел (λ1,λ2,λ3) называется барицентрическими координатами точки A относительно треугольника δ.

Теперь, если вернуться к формулам (3) и (4) из дополнений 1 и 2, то эти формулы задают барицентрические координаты границ треугольников δ' и δ'', соответствующих треугольнику δ=A1A2A3.

Для нас существенно, что для подобных треугольников δ1 и δ2 барицентрические координаты геометрических медиан m1δ1 и m1δ2 равны между собой, аналогично — и для m2δ1 и m2δ2. В этом смысле можно сказать, что в подобных треугольниках геометрические медианы расположены одинаковым образом. Это свойство геометрических медиан называют их эквивариантностью относительно преобразования подобия.

Пространство треугольников. Для каждого треугольника существует единственный подобный ему треугольник периметра 1. В силу эквивариантности геометрических медиан теорему 1 достаточно доказать только для треугольников периметра 1.

Существует много способов объединения треугольников единичного периметра в единое пространство (Behrend, 2014; Панов, 2021). Для наших целей выберем самый простой из них (Stewart, 2017). А именно каждому треугольнику единичного периметра с упорядоченным набором сторон a,b,c сопоставим точку a,b,c3. Эти точки заполнят в 3 целый треугольник с вершинами (1/2, 1/2, 0), (1/2, 0, 1/2), (0, 1/2, 1/2) лежащий в плоскости x+y+z=1. Обозначим его . Каждая точка, принадлежащая , отвечает некоторому треугольнику, поэтому  называется пространством треугольников.

Вырожденные треугольники. Обратим внимание на граничные точки пространства . Для координат a,b,c внутренних точек  выполняется неравенство треугольника, т. е. бóльшее из чисел a,b,c меньше суммы двух других, но для граничных точек  бóльшая из координат будет равна сумме двух других.

Треугольники, у которых одна сторона равна сумме двух других, называются вырожденными.

В случае когда именно a=b+c, вырожденный треугольник можно представлять как отрезок CB с отмеченной на нем точкой A (рис. 2). Таким образом, можно считать, что граница  пространства  соответствует вырожденным треугольникам с единичным периметром.

 

Рис. 2. Вырожденный треугольник, a = b + c

 

Медианные отображения. Введем в рассмотрение еще один правильный треугольник  с вершинами 1,0,0, 0,1,0, 0,0,1, лежащий в плоскости x+y+z=1, и определим два медианных отображения Mi,   i=1,2: Mi :Δ из пространства треугольников  в правильный треугольник .

Пусть задана точка a,b,c, соответствующая некоторому треугольнику δ с упорядоченным набором сторон a,b,c. Пусть также mi — геометрическая медиана этого треугольника δ, а λ1i,λ2i,λ3i — ее барицентрические координаты относительно δ, тогда λ1i+λ2i+λ3i=1. Поэтому (λ1i,λ2i,λ3i)Δ и по определению отображение Mi устроено следующим образом:

Mi :a,b,cλ1i,λ2i,λ3i. (5)

Образ отображения M1 обозначим ', образ отображения M2 обозначим ''.

Как мы собрали все треугольники в единое пространство , так и медианное отображение M1 собирает геометрические медианы m1 всех треугольников в единое пространство Δ'Δ, а медианное отображение M2 собирает геометрические медианы m2 всех треугольников в Δ''Δ.

Используя понятие аффинного отображения, можно дать альтернативное определение медианных отображений M1 и M2. Напомним, что для любой пары треугольников с заданным порядком вершин существует единственное аффинное отображение, переводящее вершины первого из них в вершины второго в указанном порядке. При этом отображении точка, имеющая барицентрические координаты λ1,λ2,λ3 относительно первого треугольника, переходит в точку, имеющую те же самые барицентрические координаты относительно второго треугольника.

Пусть теперь δ=abc — треугольник единичного периметра со сторонами a,b,c и геометрическими медианами m1δ и m2δ. Пусть также Aδ — аффинное отображение треугольника δ в треугольник : Aδ: δΔ. Тогда медианное отображение Mi из формулы (5) можно определить формулой

Mi :a,b,cAδmiδ. (6)

Это следует из того, что для точек, лежащих в плоскости x+y+z=1, их барицентрические координаты относительно  и их декартовы координаты совпадают.

Компьютерная визуализация. На рис. 3 представлена компьютерная визуализация медианного отображения M1:Δ. Для его построения была использована репрезентативная выборка точек из пространства , образы которых достаточно плотно заполняют '. Используя это изображение, а также подвижную визуализацию отображения M12, можно сделать вывод, что граница пространства треугольников , соответствующая вырожденным треугольникам, при отображении M1 переходит в границу области ', которую мы обозначим Δ'.

 

Рис. 3. Слева в треугольнике  находится образ отображения M1 — область ', справа — увеличенная копия '

 

То же самое, что было отмечено выше в отношении отображения M1, можно отнести и к медианному отображению M2 (рис. 4). И здесь граница пространства треугольников , соответствующая вырожденным треугольникам, при отображении M2 тоже переходит в границу образа этого отображения, т. е. в ''. Описанные здесь свойства медианных отображений M1 и M2 позволяют наметить основные шаги для доказательства теоремы 1.

 

Рис. 4. Треугольник  (слева — область '' — образ отображения M2, справа — увеличенная копия '')

 

ОСНОВНЫЕ ИДЕИ ДОКАЗАТЕЛЬСТВА

Главный шаг в доказательстве основного результата — вычисление уравнений границ образов медианных отображений M1 и M2, т. е. границ множеств ' и '' на рис. 3–4. Как было указано в предыдущем разделе, для этого нужно уметь вычислять местоположение геометрических медиан m1 и m2 вырожденных треугольников, а именно барицентрические координаты этих медиан. Это вычисление осуществляется с помощью предельного перехода и с помощью соответствующего этому переходу асимптотического анализа градиентных систем для решения минимизационных задач (1) и (2) (Панов, 2021). Вот формулировка нужного нам результата.

Предложение 1. Пусть δ=abc  вырожденный треугольник и abc, и пусть anbncn  последовательность сходящихся к нему обычных треугольников, т. е. обычных треугольников, для которых ana,  bnb,  cnc. Тогда:

  1. геометрическая медиана m1 треугольника anbncn удалена от общей вершины сторон an и bn на расстояние, близкое к a/2, а отношение расстояний от нее до сторон an и bn близко к 1;
  2. геометрическая медиана m2 треугольника anbncn удалена от общей вершины сторон an и bn на расстояние, близкое к ab/2, и отношение расстояний от нее до сторон an и bn близко к 1

На менее формальном и более выразительном языке можно сказать, что геометрические медианы m1 и m2 вырожденного треугольника δ=abc, abc лежат на биссектрисе его меньшего угла на расстояниях a/2 и ab/2 от вершины этого угла.

Следующее утверждение является прямым переводом предложения 1 на язык барицентрических координат.

Предложение 2. Пусть δ=abc  вырожденный треугольник, в котором abc. Тогда геометрическая медиана его периметра, точка m1 имеет барицентрические координаты

λa=a4b,      λb=14,      λc=34a4b, (7)

а геометрическая медиана его внутренности, точка m2, имеет барицентрические координаты

λa=221a/b,      λb=221b/a,     λc=1221a/b+b/a. (8)

И теперь уже можно утверждать, что теорема 1 является прямым следствием предложения 2. Действительно, пусть задан произвольный треугольник δ и пусть δ' и δ'' — соответствующие ему треугольники из теоремы 1. Тогда сравнение формул (7) и (3), а также (8) и (4) показывает, что

δ'=Aδ1Δ' и δ''=Aδ1Δ'', (9)

где Aδ1 — аффинное отображение треугольника  в треугольник δ, обратное аффинному отображению Aδ. В свою очередь, соотношение (6) свидетельствует о том, что

Aδm1δΔ' и  Aδm2δΔ'', (10)

а (10) и (9) дают m1δδ' и m2δδ'', как и записано в теореме 1.

Некоторые дополнительные подробности изложены в (Панов, 2021).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хотя существуют эффективные численные методы нахождения геометрической медианы, но нет аналитических формул для её вычисления. Поэтому нужны хорошие универсальные оценки для местоположения геометрических медиан. Имеется два типа таких оценок. Первая — достаточно очевидна и заключается в том, что для любого подмножества пространства n геометрическая медиана, если она существует, принадлежит выпуклой оболочке этого множества. Вторая — универсальная оценка (Mallows, 1991; Piché, 2012) — основана на вероятностных соображениях и применима к подмножествам n. Однако обе эти оценки для треугольника, расположенного на плоскости, сильно уступают тем, что предъявлены в теореме 1.

Во многих экономических задачах также возникает вопрос о расположении геометрической медианы выпуклой области, а именно вопрос об удаленности медианы от границы этой области. В работе (Панов, 2017) получена универсальная оценка для этой задачи, и для треугольника она опять сильно уступает оценке, следующей из теоремы 1. Поэтому представляется желательным распространить полученные результаты, по крайней мере, на произвольные выпуклые кривые и выпуклые области, расположенные на плоскости.

 

1 Точка X(13) из “Encyclopedia of triangle centers» (https://faculty.evansville.edu/ck6/encyclopedia/ETC.html).

2 https://commons.wikimedia.org/wiki/File: Animation_M_1.gif

×

About the authors

P. A. Panov

HSE University

Author for correspondence.
Email: ppanov@hse.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Балк М. Б., Болтянский В. Г. (1987). Геометрия масс. М.: Наука. [Balk M. B., Boltyansky V. G. (1987). Geometry of masses. M.: Nauka (in Russian).]
  2. Панов П. А. (2017). Равновесные расположения центров благ по городу // Журнал Новой экономической ассоциации. № 1. С. 28–42. [Panov P. A. (2017). Nash equilibria in the facility location problem with externalities. Journal of the New Economic Association, 1 (33), 28–42 (in Russian).]
  3. Панов П. А. (2021). О геометрических медианах треугольников. Режим доступа: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2007/2007.14231.pdf [Panov P. A. (2021). On geometric medians of triangles. Available at: https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2007/2007.14231.pdf (in Russian).]
  4. Bajaj C. (1988). The algebraic degree of geometric optimization problems. Discrete and Computational Geometry, 3 (2), 177–191.
  5. Behrend K. (2014). Introduction to algebraic stacks. In: Moduli Spaces. L. Brambila-Paz, P. Newstead, R. P. Thomas, O. García-Prada (eds.). London Mathematical Society Lecture Notes, 411. Cambridge: Cambridge Univ. Press., 1–131.
  6. Fekete S. P., Mitchell J. S.B., Beurer K. (2005). On the continuous Fermat-Weber problem. Operations Research, 53 (1), 61– 76. doi: 10.1287/opre.1040.0137. S2CID1121
  7. Mallows C. (1991). Another comment on O’Cinneide. The American Statistician, 45, 3, 257. doi: 10.1080/00031305.1991.10475815
  8. Murray A. T. (2020). Location theory. In: International encyclopedia of human geography. 2nd ed. A. Kobayashi (ed.). Oxford: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-08-102295-5.10104-0
  9. Piché R. (2012). Random vectors and random sequences. Saarbrücken: Lambert Academic Publishing. ISBN: 978-3659211966
  10. Stewart I. (2017). Why do all triangles form a triangle? American Mathematical Monthly, 124, 1, 70–73. doi: 10.4169/amer.math.monthly.124.1.70
  11. Yao J., Zhang X., Murray A. T. (2019). Location optimization of urban fire stations: Access and service coverage. Computers, Environment and Urban Systems, 73, 184–190. doi: 10.1016/j.compenvurbsys.2018.10.006

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».