Площадь поверхности

Задача

Найти площадь поверхности, которая является трёхмерным графиком функции [latex]f\left( x, y\right)[/latex], в пределах от [latex]a[/latex] до [latex]b[/latex] по оси [latex]x[/latex] и от [latex]c[/latex] до [latex]d[/latex] по оси [latex]y[/latex] c величиной шага [latex]h[/latex].

Входные данные:

Четыре целых числа: [latex]a[/latex], [latex]b[/latex], [latex]c[/latex], [latex]d[/latex].
Вещественное число: [latex]h[/latex].

Выходные данные:

Площадь поверхности [latex]S[/latex].

Тесты

 № [latex]f\left( x, y\right)[/latex] Входные данные Выходные данные
 [latex]a[/latex]  [latex]b[/latex]  [latex]c[/latex]  [latex]d[/latex]  [latex]h[/latex]  [latex]S[/latex]
 1  [latex]x+y[/latex]  -10  10  -10  10  0.001  692.82
 2  [latex]\left| x \right| +\left| y \right|[/latex]  -2  2  -2  2  0.005  27.7128
 3  [latex]1[/latex]  0  100  0  100  0.1  10000
 4  [latex]{x}^{2}+{y}^{2}[/latex]  -1  1  -1  1  0.0005  7.44626

Код программы

Решение

Представим поверхность в виде множества геометрических фигур. Тогда её площадь будет суммой площадей этих фигур. В качестве фигур, покрывающих данную поверхность, возьмём треугольники, поскольку через любые [latex]3[/latex] точки в пространстве можно провести плоскость и только одну (а значит и треугольник). Координатную плоскость [latex]xy[/latex] условно поделим на квадраты, где сторона квадрата будет равняться заданному шагу [latex]h[/latex]. Будем рассматривать только квадраты, что лежат в заданных пределах.  Условно проведём одну из диагоналей у каждого квадрата — получим треугольники на плоскости. Поочередно будем искать координату [latex]z[/latex] вершин каждой пары треугольников, подставляя уже известные координаты [latex]x[/latex] и [latex]y[/latex] в указанную формулу. Зная координаты треугольников в пространстве, найдём площадь каждого, сумма данных площадей и будет площадью поверхности. Чтоб найти площадь треугольника, зная координаты его вершин, найдем векторное произведение его координат. Возьмем треугольник с координатами вершин  [latex]\left( x_i,y_i,z_{ii} \right) [/latex], [latex]\left( x_i, y_j, z_{ij} \right) [/latex] и [latex]\left( x_j, y_i, z_{ji} \right) [/latex], возьмём произвольные два вектора, которые образуют данный треугольник — [latex]\overrightarrow { a } =\left ( x_i-x_i, y_j-y_i, z_{ij}-z_{ii} \right)[/latex], [latex]\overrightarrow { b } =\left ( x_j-x_i, y_i-y_i, z_{ji}-z_{ii} \right)[/latex].
[latex]\overrightarrow { a } =\left ( 0, y_j-y_i, z_{ij}-z_{ii} \right)[/latex], [latex]\overrightarrow { b } =\left ( x_j-x_i, 0, z_{ji}-z_{ii} \right)[/latex].
Тогда векторное произведение [latex]\left [ \overrightarrow { a }, \overrightarrow { b } \right] =\left ( (y_i-y_j)( z_{ji}-z_{ii}), (z_{ii}-z_{ij})(z_{ji}-z_{ii} ), ( y_j-y_i)(x_j-x_i) \right)[/latex].
Поскольку длина вектора равного векторному произведения двух векторов в пространстве равна площади параллелограмма, образованного исходными векторами — найдём его длину и разделим пополам, чтоб получить площадь треугольника, образованного исходными векторами. Значит площадь каждого треугольника можно вычислить по формуле:
[latex]s =\frac { 1 }{ 2 } \sqrt{({(y_i-y_j)}^{2}{( z_{ji}-z_{ii})}^{2}+{(z_{ii}-z_{ij})}^{2}{(z_{ji}-z_{ii} )}^{2}+{( y_j-y_i)}^{2}{(x_j-x_i)}^{2})}[/latex] Тогда площадь поверхности в пределах заданных точек можно вычислить, сложив площади этих треугольников.

Модификация

Модифицируем данную программу для нахождения приблизительной площади поверхности, заданной функцией с корнем чётной степени.

Тесты

 № [latex]f\left( x, y\right)[/latex] [latex]z_0[/latex]  Входные данные  Выходные данные
 [latex]a[/latex]  [latex]b[/latex]  [latex]c[/latex] [latex]d[/latex]  [latex]h[/latex]  [latex]S[/latex]
 1 [latex]\sqrt { 1-{ x }^{ 2 }-{ y }^{ 2 } }[/latex] [latex]1[/latex]  -1  1  -1  1  0.00011  6.28734
 2 [latex]\sqrt { 1-{ x }^{ 2 }-{ y }^{ 2 } }[/latex] [latex]7y[/latex]  -1  1  -1  1  0.00011  23.0803
 3 [latex]\sqrt { 1-{ x }^{ 2 }-\frac{ { y }^{ 2 }}{ 2 } }[/latex] [latex]0[/latex]  -1  1  -2  2  0.00015  8.08214
 4 [latex]\sqrt { 2-{ x }^{ 2 }-{ y }^{ 2 } }[/latex] [latex]-1[/latex]  -2  2  -2  2  0.0005  12.5835

Код программы

Условно отделим от функцию [latex]f\left( x, y\right)[/latex] слагаемые, что не под корнем, если такие имеются. Тогда [latex]z_0[/latex] равно части функции, что не под корнем. Для того, чтоб рассматривать площади треугольников, вершины которых выходят за область определения функции, доопределим их в [latex]z_0[/latex] по оси [latex]z[/latex]. Затем вычислим площадь треугольников, у которых как минимум одна вершина не лежит на [latex]z=z_0[/latex] .

Ссылки

Mif 15

Задача. Вычислить расстояние между двумя отрезками [latex]AB[/latex] и [latex]CD[/latex], заданных координатами вершин в четырехмерном пространстве.

Тесты

(1)

[latex]A_0[/latex] [latex]A_1 [/latex] [latex]A_2[/latex] [latex]A_3[/latex] [latex]B_0[/latex] [latex]B_1[/latex] [latex]B_2[/latex] [latex]B_3[/latex]
1  1 0 0 0 2 0 0 0
2  1 0 0 0 3 0 0 0
3  -1 1 0 6 -2 -1 1 6
4  1 1 1 1 2 2 2 2
5  1 1 1 2 8 5 7 10
6  1 1 0 0 1 0 1 1
7  3 4 7 8 9 5 6 2
8  1 2 2 3 1 4 8 9

(2)

[latex]C_0[/latex] [latex]C_1[/latex] [latex]C_2[/latex] [latex]C_3[/latex] [latex]D_0[/latex] [latex]D_1[/latex] [latex]D_2[/latex] [latex]D_3[/latex] [latex]r[/latex]
1  1 1 0 0 2 1 0 0 1.000000
2  2  4  0  0 2 4 3 0 4.000000
3  -1 -1  0 6 2 1 1 6 1.154701
4  -9 -9 -9 -9 -5 -5 -5 -5 12.000000
5  8 0  0 0 2 1 1 1 1.414214
6  2  3 2 0 1 4 9 1 3.000000
7  7 4 11 15 15 5 12 9 9.000000
8  5 7 2 23 4 8 8 21 13.000000

Код программы 

Алгоритм и его обоснование

Расстояние между отрезками в четырехмерном пространстве находится по-разному, в зависимости от взаимного расположения этих отрезков. Тут мы можем выделить два основных случая:

  1. Отрезки лежат на параллельных прямых или на одной прямой.
  2. Отрезки лежат на пересекающихся либо на скрещивающихся прямых.

Чтобы выяснить, с каким случаем мы имеем дело, рассмотрим общую картину взаимного расположения отрезков и опишем ее математически:
PICTURE1
По условию нам заданы 4 точки: [latex]A[/latex], [latex]B[/latex], [latex]C[/latex] и [latex]D[/latex] — концы двух отрезков. Для удобства представления уравнений и точек, связанных с ними, обозначим их [latex]P_0[/latex], [latex]P_1[/latex], [latex]Q_0[/latex] и [latex]Q_1[/latex] соответственно. Через эти пары точек мы можем провести 2 прямые [latex]p[/latex] и [latex]q[/latex], параметрические уравнения которых имеют вид:

[latex]

\begin{matrix}
\vec p = P_0 + \vec u \cdot s \\
\vec q = Q_0 + \vec v \cdot t
\end{matrix}

[/latex],

где векторы:

[latex]

\begin{matrix}

\vec u = P_1 — P_0\\

\vec v = Q_1 — Q_0

\end{matrix}

[/latex],

а   [latex]s[/latex]   и   [latex]t[/latex]   — параметры. При [latex]s=0[/latex]   или   [latex] t=0[/latex]   мы получаем начальную точку соответствующего отрезка, а при [latex]s=1[/latex]   или [latex]t=1[/latex]   — конечную. При произвольном значении параметра мы получаем произвольную точку на прямой.

Рассмотрим вектор [latex]\vec w = Q — P[/latex] , соединяющий 2 произвольные точки на этих прямых. Легко показать, что вектор [latex]\vec w[/latex]   соединяет 2 ближайшие точки  [latex]Q_c[/latex]   и   [latex]P_c[/latex]   при условии:

[latex]\vec w \perp p[/latex] и [latex]\vec w \perp q[/latex].

Этому условию соответствует система из двух уравнений:

[latex] \begin{cases}
\vec u \cdot \vec w = 0\\
\vec v \cdot \vec w = 0
\end{cases}

[/latex]

Распишем ее для   [latex]\vec w = Q_0 — P_0 + \vec v \cdot t — \vec u \cdot s = \vec w_0 + \vec v \cdot t — \vec u \cdot s[/latex] :
[latex]

\begin{cases}
\vec u \cdot ( \vec w_0 + \vec v \cdot t — \vec u \cdot s ) = 0\\
\vec v \cdot ( \vec w_0 + \vec v \cdot t — \vec u \cdot s ) = 0
\end{cases}

[/latex]

Введем вспомогательные скалярные переменные:
[latex]

\begin{matrix}

a&=&\vec u \cdot \vec u\\
b&=&\vec u \cdot \vec v\\
c&=&\vec v \cdot \vec v\\
d&=&\vec u \cdot \vec w_0\\
e&=&\vec v \cdot \vec w_0

\end{matrix}

[/latex]

Теперь наша система будет выглядеть так:

[latex]

\begin{cases}
d — a \cdot s + b \cdot t = 0 \\
e — b \cdot s + c \cdot t = 0
\end{cases}
[/latex]

Перепишем систему в удобном для нас виде:

[latex] \begin{cases}
a \cdot s — b \cdot t = d \\
b \cdot s — c \cdot t = e
\end{cases}
[/latex]

Решение этой системы мы можем получить, например, методом Крамера.

Главный определитель системы:   [latex]D = b^2 — a \cdot c[/latex]

Два вспомогательных определителя:
[latex] \begin{matrix}
D_1 = b \cdot e — c \cdot d\\
D_2 = a \cdot e — b \cdot d\\
\end{matrix}
[/latex] Если [latex]D \neq 0[/latex],   то существует единственное решение:

[latex]

\begin{cases}
s_c = \frac{D_1}{D} \\
t_c = \frac{D_2}{D}
\end{cases}
[/latex]

Если же мы получаем   [latex]D = 0[/latex],   легко показать, что отрезки параллельны. То есть мы имеем дело со случаем 1.

Тогда:

а) Если хотя бы одна точка одного отрезка проецируется на другой отрезок, то расстояние между отрезками равняется расстоянию между прямыми.

Найдем проекцию точки   [latex]P_0[/latex]   на линию   [latex]q[/latex]. Для этого сначала найдем вектор, который является проекцией вектора   [latex]\vec w_0[/latex]   на линию   [latex]q[/latex].

[latex]\vec w_q=(\vec w_0 \cdot \vec v) \cdot \frac{\vec v}{v^2}[/latex].
Конец полученного вектора находится в точке   [latex]Q_0[/latex],   а начало в новой точке   [latex]P_{0q}=Q_0-\vec w_q[/latex]. Соединим точки   [latex]P_0[/latex]   и   [latex]P_{0q}[/latex] вектором [latex]\vec w_p = P_{0q} — P_0[/latex]. Длина полученного вектора и будет искомым расстоянием:   [latex]r = \left| P_0 P_{0q} \right|[/latex].

RESULT

Для проверки условия а) необходимо получить проекции остальных исходных точек на отрезки:
[latex] \begin{matrix}
P_{1q} = P_{0q} + \vec u\\
Q_{0p} = P_0 + \vec w_q\\
Q_{1p} = Q_{0p} + \vec v
\end{matrix}
[/latex]

Если точка   [latex]P_{0q}[/latex]   лежит на прямой   [latex]q[/latex],    задаваемой уравнением:
[latex]\vec q = Q_0 + \vec v \cdot t[/latex],
то определить, принадлежит ли точка [latex]P_{0q}[/latex]   отрезку [latex]Q_0 Q_1[/latex]   можно, решив уравнение:
[latex]P_{0q} = Q_0 + \vec v \cdot t[/latex].
[latex] 0 = \vec w_q + \vec v \cdot t[/latex].
Домножив обе части скалярно на вектор   [latex]\vec v[/latex],   мы получим уравнение: [latex] 0 = e + c \cdot t[/latex], отсюда   [latex]t = \frac{-e}{c}[/latex].

Если [latex]t \in \left[0,1\right][/latex], то точка [latex]P_{0q}[/latex] лежит на отрезке [latex]Q_0 Q_1[/latex]. Если же нет, переходим к аналогичной проверке следующих точек:

[latex]P_{1q}:[/latex] [latex]P_{1q} = Q_0 + \vec v \cdot t[/latex].
[latex] 0 = \vec w_q — \vec u + \vec v \cdot t[/latex].
Опять домножив обе части скалярно на вектор   [latex]\vec v[/latex],   мы получим уравнение:

[latex] 0 = e — b + c \cdot t[/latex],
отсюда   [latex]t = \frac{-e+b}{c}[/latex].
[latex]Q_{0p}:[/latex] [latex]Q_{0p} = P_0 + \vec u \cdot s[/latex].
[latex]0 =-\vec w_q + \vec u \cdot s[/latex].
Опять домножив обе части скалярно на вектор   [latex]\vec u[/latex],   мы получим уравнение:

[latex] 0 = -\frac{e \cdot b}{c} + a \cdot s[/latex],
отсюда   [latex]s = \frac{e \cdot b}{c \cdot a}[/latex].
[latex]Q_{1p}:[/latex] [latex]Q_{1p} = P_0 + \vec u \cdot s[/latex].
[latex] 0 = -\vec w_q — \vec v + \vec u \cdot s[/latex].
Опять домножив обе части скалярно на вектор   [latex]\vec u[/latex],   мы получим уравнение:

[latex] 0 = -\frac{e \cdot b}{c} — b + a \cdot s[/latex],
отсюда   [latex]s = \frac{(e — c) \cdot b}{c \cdot a}[/latex].
б) В противном случае, расстояние между отрезками равняется минимальному расстоянию между их концами. Здесь задача предельно упрощается. Мы находим длины отрезков, попарно соединяющих 4 исходные точки, и выбираем наименьший из них.

Если же исходные отрезки лежат на пересекающихся либо на скрещивающихся прямых, мы также рассматриваем 2 случая:

а) Оба конца кратчайшего отрезка, соединяющего прямые, лежат на соответствующих исходных отрезках:
[latex]P_c \in P_0 P_1[/latex]   и   [latex]Q_c \in Q_0 Q_1[/latex].

В этом случае пара параметров   [latex](s_c, \; t_c)[/latex]   принадлежит области:   [latex](s,t):\left[0,1\right]\times \left[0,1\right].[/latex]

То есть, решение тривиально: ответом будет дина вектора   [latex]\vec w_c[/latex]

б) Хотя бы один из концов кратчайшего отрезка, соединяющего прямые, не лежит на исходном отрезке, то есть:
[latex]P_c \not\in P_0 P_1[/latex] или [latex]Q_c \not\in Q_0 Q_1[/latex],
что соответствует значениям параметров   [latex]s_c \not\in \left[0,1\right][/latex]   или   [latex]t_c \not\in \left[0,1\right][/latex].

В этом случае минимальное расстояние между отрезками определяется на границе области:   [latex](s,t):\left[0,1\right]\times \left[0,1\right][/latex]   (см. рисунок ниже):

elipsoid

Здесь решением является длина кратчайшего отрезка.

Длину отрезка, соединяющего 2 прямые, можно оценивать по квадрату длины вектора   [latex]\vec v[/latex]: [latex]w^2=(\vec w)^2=(\vec w_0 — \vec u \cdot s + \vec v \cdot t)^2[/latex].

В частности, минимум   [latex]w^2[/latex] достигается в точке   [latex](s_c,t_c)[/latex].
Однако в случае б) мы должны найти минимум расстояния на границе нашей области, то есть решить задачу нахождения минимума при ограничениях (решить задачу условной минимизации). В нашем случае ограничения имеют очень простой вид — оси координат, и две линии, параллельные им. Поэтому мы можем решить на четырех границах 4 упрощенные задачи минимизации, а затем выбрать наименьшее решение.

Замечание: В пространстве параметров функция [latex]w^2(s,t)[/latex] представляет из себя эллиптический параболоид. Однако для простоты мы выше изобразили его линии уровня в виде окружностей. Типичный вид эллиптического параболоида и его линий уровня представлен на рисунках ниже:
3dellipticparabolloid
2dmap_ellipticparabolloid

Рассмотрим поочередно все 4 ограничения и решим задачу для них:

(1) Пусть [latex]t=t_1=0[/latex].

Тогда: [latex]{w^2\mid_{t_1=0}} = (\vec w_0-\vec u \cdot s_1)^2[/latex].

Для определения экстремума приравняем производную к нулю:[latex] \begin{array}{r}
\frac{d}{ds_1}{(\vec w_0-\vec u \cdot s_1)^2}=0\\
2 \cdot (\vec w_0-\vec u \cdot s_1) \cdot (- \vec u)=0\\
-d +a \cdot s_1=0\\
s_1=\frac{d}{a}
\end{array}
[/latex]

Легко показать, что при [latex]s_1>1[/latex] мы должны присвоить ему значение [latex]s_1=1[/latex], а если [latex]s<0[/latex] — значение [latex]s_1=0[/latex], так как мы не должны выходить за границы исходных отрезков.

Подставим полученное значение [latex]s[/latex] в уравнение прямой [latex]p[/latex] для точки [latex]P_c[/latex]:[latex]P_c = P_0 + \vec u \cdot s.[/latex]

А точка [latex]Q_c[/latex] совпадает с точкой [latex]Q_0[/latex]. Тогда первый минимум равен: [latex]r_1 = Q_0 P_c[/latex].

Аналогично найдем три остальных минимума [latex]r_2, r_3, r_4[/latex], приравняв [latex]s[/latex] к нулю, а затем [latex]t[/latex] и [latex]s[/latex] к единице. Наименьший из них и есть искомое расстояние [latex]r[/latex].

Код программы

ML18

Задача ML18

Условие задачи

Найти периметр треугольника по заданным координатам вершин [latex]A(x_1,y_1,z_1)[/latex], [latex]B(x_2,y_2,z_2)[/latex] и [latex]C(x_3,y_3,z_3)[/latex].

Входные данные

В одной строке заданы 9 чисел [latex]x_1, x_2, x_3, y_1, y_2, y_3, z_1, z_2, z_3[/latex] — координаты вершин треугольника [latex]ABC[/latex],  значения которых не превышают по модулю [latex]100[/latex].

Выходные данные

Вывести периметр [latex]p[/latex] данного треугольника.

Также условие задачи можно посмотреть здесь.

Тестирование

Входные данные ([latex]x_i, y_j, z_k; i, j, k= 1, 2, 3 [/latex]) Выходные данные
1 2 2 5 1  0 -1 3 5 10 16.0261556346
2 1 4 5 3 6 0 10.5 -2 -1 31.9047289894
3 15 26 13 32 18 56 80 0 -6.2 212.0962807371
4 -13 68 44 99 -100 70 0 2 1 450.5748518262
5 100 9 17 18 29 88 65 -16 0.36 310.4318979186

Реализация

Алгоритм решения

  1. Задан произвольный треугольник [latex]ABC[/latex] с такими координатами вершин: [latex]A(x_1,y_1,z_1)[/latex], [latex]B(x_2,y_2,z_2)[/latex] и [latex]C(x_3,y_3,z_3)[/latex]. Обозначим стороны треугольника [latex] AB, BC, AC[/latex] как [latex]a, b, c[/latex] соответственно.
  2. Очевидно, что для того, чтобы вычислить периметр данного треугольника, нужно найти длины его сторон. Для этого воспользуемся формулой вычисления расстояния между двумя точками в пространстве. Получаем:[latex]a=\sqrt {(x_2-x_1)^2 + (y_2-y_1)^2 + (z_2-z_1)^2}[/latex]; [latex]b= \sqrt {(x_3-x_2)^2 + (y_3-y_2)^2 + (z_3-z_2)^2}[/latex]; [latex]c= \sqrt {(x_3-x_1)^2 + (y_3-y_1)^2 + (z_3-z_1)^2} [/latex].
  3. Зная значения сторон треугольника, вычисляем периметр, используя формулу. Получаем: [latex]p= a + b + c[/latex].

Подробнее о декартовой системе координат можно прочесть здесь.

Для запроса на выполнение следует перейти по ссылке.