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Hacer 4 puntos en ${\mathbb R}^2$ convexa en posición de definir una única elliplse que pasa a través de los 4 puntos?

Por lo que se necesitan 3 puntos distintos en el plano, que no son colineales, para definir un único círculo que pasa por los puntos.

Entonces, ¿qué acerca de los puntos suspensivos?

Argumentando ingenuamente en términos de grados de libertad no parece ayudar demasiado, ya que por un círculo que tiene 3 grados de libertad (2-d centro de coordenadas y 1-d de radio), y sin embargo, lleva 3 2-d puntos (6 grados de libertad), no 2 2-d puntos (4 grados de libertad), para definir un único círculo que pasa por los puntos. No he estudiado las secciones cónicas mucho así que pido disculpas si esta pregunta es trivial, pero si tenemos 4 2-d puntos en posición convexa (es decir, cada punto es un vértice de la convex hull) hace esto definir una única elipse que pasa a través de la 4 2-d puntos? O es que a veces se necesita de 5 o más en 2-d puntos en posición convexa?

8voto

John Hughes Puntos 27780

No del todo. Pensar en los vértices de un cuadrado; un alto y estrecho elipse pasa a través de ellos, pero hasta hace un corto y ancho de la elipse. Así que usted no consigue singularidad.

Cuando usted (naturalmente) pregunte sobre 5 puntos, resulta que no hay una única cónica que contiene cinco puntos...pero no es necesariamente una elipse, incluso si los puntos que forman un bonito conjunto convexo. Por qué? Creo que de 5 puntos en una parábola. La única cónica que se adapta a estos es...que la parábola! Así que no hay elipse que pasa a través de ellos.

El espacio proyectivo de cónicas es una fascinante introducción a la geometría algebraica. El libro sobre Geometría Proyectiva por Pierre Samuel es una muy buena introducción si sus otras habilidades matemáticas son sólidos como una roca, pero "otros" incluye álgebra abstracta en este caso, por lo que va a ser un tiempo antes de que esté listo para leer.

Post-comentario comentarios

Permítanme añadir otro comentario aquí, que se refiere a la geometría proyectiva cosa. Supongamos que $$ H_1(x, y) = Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + Dx + Ey + F $$ y que los cuatro puntos $(x_i, y_i)$, $i = 1, 2, 3, 4$, tienen la propiedad de que $$ H_1(x_i, y_i) = 0 (i = 1, 2, 3, 4). $$ Entonces la ecuación $$ H_1(x, y) = 0 $$ define una cónica que contiene los cuatro puntos.

Ahora supongamos que $H_2$ es otro ejemplo de polinomio (de segundo grado en $x$$y$) y que la ecuación de $H_2(x, y) = 0$ está satisfecho con los mismos cuatro puntos. (Creo que de $H_1 = 0$ como la definición de la elipse de color rojo en @muaddib la respuesta, y $H_2 = 0$ como definir el azul.)

Entonces para cualquier $t$, el polinomio $$ Q_t(x, y) = (1-t) H_1(x, y) + t H_2(x, y) $$ también es cero en los cuatro puntos. Así, en el "espacio de todas las cónicas", si dos cónicas $C_1$ $C_2$ pasan a través de cuatro puntos, así como todos los cónicos en la "línea entre el $C_1$ $C_2$" (es decir, aquellos que, como $Q_t$ anterior).

Para cerrar el argumento:

En general, si usted tiene cuatro puntos de $P_1, P_2, P_3, P_4$, y que se sitúan en una elipse, $E$, usted puede escoger un 5to punto, decir $R_0$, no está cerca de ninguna de las $P_i$, que también en esa elipse. Ahora puede mover los $R_0$ muy ligeramente para obtener un nuevo punto de $R_1$, y considerar la cónica $C$ pasa a través de $$ P_1, P_2, P_3, P_4, R_1. $$ Si $R_1$ es lo suficientemente cerca como para $R_0$, entonces la cónica $C$ está muy cerca de la elipse original, y por lo tanto debe ser también una elipse (una instrucción que debe probar, por cierto-no es en absoluto obvio!).

Pero ahora usted puede tomar el cuadrática para $E$, decir $H_1$, y la cuadrática para $C$, decir $H_2$, y la combinación como $(1-t)H_1 + tH_2$ donde $t$ es cualquier número real, para conseguir otra cónica que pasa a través de los cuatro puntos, por lo que hay una infinidad de cónicas que pasan por estos puntos. Por el mismo argumento como el anterior, "no es en absoluto evidente" -- infinitamente muchas de estas cónicas también debe ser elipses.

En resumen: no, ni siquiera en el caso de que los cuatro puntos están en posición convexa" y hay una elipse a través de ellos, siempre hay otra elipse a través de ellos, y, de hecho, infinitamente muchos otros.

6voto

muaddib Puntos 6459

Este argumento está tomado de Cómo muchos puntos de toma para definir...

La imagen lo dice todo:

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Supongamos que tenemos K puntos, y queremos que estos puntos para definir un solo elipse. Si los puntos que definen dos elipses, a continuación, los puntos debe ser encontrado en la circunferencia de ambos, de modo que deben estar en las intersecciones entre las dos elipses. Dos elipses se cruzan en más de cuatro puntos–, así que si tenemos sólo cuatro puntos, que no son capaces de resolver la ambigüedad entre los dos. Con el fin de que exista una contradicción, debe haber al menos cinco puntos distintos. Tenga en cuenta que esta prueba no dice que los cinco puntos son suficientes; sólo se dice que cuatro no lo son.

4voto

Brian Deacon Puntos 4185

Esta es una imagen para acompañar a un punto que yo estaba haciendo en un comentario:

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Cuatro puntos ---aquí, el cian en las esquinas de un cuadrado cerca del centro--- no sólo determinar infinitamente muchos elipses; que determinar infinitamente muchos hipérbolas, demasiado. (No parábolas este momento). Por otra parte, las elipses e hipérbolas cubrir distintos regiones del plano, de tal manera que cada punto en el plano (a excepción de la primera de cuatro) se encuentra en exactamente una curva. Esto es lo que significa para un quinto punto, añadido a la colección para determinar una de esas curvas de forma exclusiva. Esto también es por qué tiene que ser un "especial" de la condición (a saber: en la región en la que colocar el punto) para garantizar que el quinto punto determina el específico tipo de curva (elipse o hipérbola) lo que quiera.

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