Определитель Кэли-Менгера - Cayley–Menger determinant

В линейная алгебра, геометрия, и тригонометрия, то Определитель Кэли-Менгера формула содержания, т. е. многомерного объем, из ${ textstyle n}$ -размерный симплекс с точки зрения квадратов всех расстояния между парами его вершин. Определитель назван в честь Артур Кэли и Карл Менгер.

Определение

Позволять ${ textstyle A_ {0}, A_ {1}, ldots, A_ {n}}$ быть ${ displaystyle n + 1}$ указывает в ${ displaystyle k}$ -размерный Евклидово пространство, с участием ${ Displaystyle к geq п}$ ^[а]. Эти точки являются вершинами п-мерный симплекс: треугольник, когда ${ displaystyle n = 2}$ ; тетраэдр, когда ${ displaystyle n = 3}$ , и так далее. Позволять ${ textstyle d_ {ij}}$ быть расстояния между вершинами ${ displaystyle A_ {i}}$ и ${ textstyle A_ {j}}$ . Содержание, т.е. п-мерный объем этого симплекса, обозначаемый ${ displaystyle v_ {n}}$ , можно выразить как функцию детерминанты определенных матриц, а именно:^[1]

{ displaystyle { begin {align} v_ {n} ^ {2} & = { frac {1} {(n!) ^ {2} 2 ^ {n}}} { begin {vmatrix} 2d_ {01 } ^ {2} & d_ {01} ^ {2} + d_ {02} ^ {2} -d_ {12} ^ {2} & cdots & d_ {01} ^ {2} + d_ {0n} ^ {2 } -d_ {1n} ^ {2} d_ {01} ^ {2} + d_ {02} ^ {2} -d_ {12} ^ {2} & 2d_ {02} ^ {2} & cdots & d_ {02} ^ {2} + d_ {0n} ^ {2} -d_ {2n} ^ {2} vdots & vdots & ddots & vdots d_ {01} ^ {2} + d_ {0n} ^ {2} -d_ {1n} ^ {2} & d_ {02} ^ {2} + d_ {0n} ^ {2} -d_ {2n} ^ {2} & cdots & 2d_ {0n} ^ {2} end {vmatrix}} [10pt] & = { frac {(-1) ^ {n + 1}} {(n!) ^ {2} 2 ^ {n}}} { begin {vmatrix} 0 & d_ {01} ^ {2} & d_ {02} ^ {2} & cdots & d_ {0n} ^ {2} & 1 d_ {01} ^ {2} & 0 & d_ {12} ^ {2} & cdots & d_ {1n} ^ {2} & 1 d_ {02} ^ {2} & d_ {12} ^ {2} & 0 & cdots & d_ {2n} ^ {2} & 1 vdots & vdots & vdots & ddots & vdots & vdots d_ {0n} ^ {2} & d_ {1n} ^ {2} & d_ {2n} ^ {2} & cdots & 0 & 1 1 & 1 & 1 & cdots & 1 & 0 end {vmatrix }}. end {выровнены}}}

Это Определитель Кэли-Менгера. Для ${ displaystyle n = 2}$ это симметричный многочлен в ${ displaystyle d_ {ij}}$ 's и, таким образом, инвариантно относительно перестановки этих величин. Это не для ${ displaystyle n> 2}$ , но он всегда инвариантен относительно перестановки вершин^[b].

Можно найти доказательство второго уравнения.^[2] Из второго уравнения первое можно получить следующим образом: элементарные операции со строками и столбцами:

${ displaystyle { begin {vmatrix} 0 & d_ {01} ^ {2} & d_ {02} ^ {2} & cdots & d_ {0n} ^ {2} & 1 d_ {01} ^ {2} & 0 & d_ {12 } ^ {2} & cdots & d_ {1n} ^ {2} & 1 d_ {02} ^ {2} & d_ {12} ^ {2} & 0 & cdots & d_ {2n} ^ {2} & 1 vdots & vdots & vdots & ddots & vdots & vdots d_ {0n} ^ {2} & d_ {1n} ^ {2} & d_ {2n} ^ {2} & cdots & 0 & 1 1 & 1 & 1 & cdots & 1 & 0 end {vmatrix}} = { begin {vmatrix} 0 & 0 & 0 & cdots & 0 & 1 0 & -2d_ {01} ^ {2} & d_ {12} ^ {2} -d_ {02} ^ {2} -d_ {01} ^ {2} & cdots & d_ {1n} ^ {2} -d_ {0n} ^ {2} -d_ {01} ^ {2} & 0 0 & d_ {12} ^ {2} -d_ { 01} ^ {2} -d_ {02} ^ {2} & - 2d_ {02} ^ {2} & cdots & d_ {2n} ^ {2} -d_ {0n} ^ {2} -d_ {02} ^ {2} & 0 vdots & vdots & vdots & ddots & vdots & vdots 0 & d_ {1n} ^ {2} -d_ {01} ^ {2} -d_ {0n} ^ { 2} & d_ {2n} ^ {2} -d_ {02} ^ {2} -d_ {0n} ^ {2} & cdots & -2d_ {0n} ^ {2} & 0 1 & 0 & 0 & cdots & 0 & 0 end {vmatrix}}}$ затем поменяйте местами первый и последний столбцы, получив ${ displaystyle -1}$ , и умножить каждый из его ${ displaystyle n}$ внутренние ряды ${ displaystyle -1}$ .

Обобщение на гиперболическую и сферическую геометрию

Есть сферические и гиперболические обобщения.^[3] Доказательство можно найти здесь.^[4]

В сферическое пространство измерения ${ Displaystyle (п-1)}$ и постоянная кривизна ${ displaystyle 1 / R}$ , Любые ${ Displaystyle (п + 1)}$ очки удовлетворяют

${ displaystyle { begin {vmatrix} 0 & f (d_ {01}) & f (d_ {02}) & cdots & f (d_ {0n}) & 1 f (d_ {01}) & 0 & f (d_ {12}) & cdots & f (d_ {1n}) & 1 f (d_ {02}) & f (d_ {12}) & 0 & cdots & f (d_ {2n}) & 1 vdots & vdots & vdots & ddots & vdots & vdots f (d_ {0n}) & f (d_ {1n}) & f (d_ {2n}) & cdots & 0 & 1 1 & 1 & 1 & cdots & 1 & { frac {1} {2R ^ { 2}}} end {vmatrix}} = 0}$

где ${ Displaystyle f (d) = 2R ^ {2} left (1- cos { frac {d} {R}} right)}$ , и ${ displaystyle d_ {ij}}$ сферическое расстояние между точками ${ displaystyle i, j}$ .

В гиперболическое пространство измерения ${ Displaystyle (п-1)}$ и постоянная кривизна ${ displaystyle -1 / R}$ , Любые ${ Displaystyle (п + 1)}$ очки удовлетворяют

${ displaystyle { begin {vmatrix} 0 & f (d_ {01}) & f (d_ {02}) & cdots & f (d_ {0n}) & 1 f (d_ {01}) & 0 & f (d_ {12}) & cdots & f (d_ {1n}) & 1 f (d_ {02}) & f (d_ {12}) & 0 & cdots & f (d_ {2n}) & 1 vdots & vdots & vdots & ddots & vdots & vdots f (d_ {0n}) & f (d_ {1n}) & f (d_ {2n}) & cdots & 0 & 1 1 & 1 & 1 & cdots & 1 & - { frac {1} {2R ^ {2}}} end {vmatrix}} = 0}$

где ${ displaystyle f (d) = 2R ^ {2} left ( cosh { frac {d} {R}} - 1 right)}$ , и ${ displaystyle d_ {ij}}$ это гиперболическое расстояние между точками ${ displaystyle i, j}$ .

пример

На случай, если ${ displaystyle n = 2}$ у нас есть это ${ displaystyle v_ {2}}$ это площадь из треугольник и поэтому мы будем обозначать это через ${ displaystyle A}$ . По определителю Кэли – Менгера, где у треугольника длины сторон ${ displaystyle a}$ , ${ displaystyle b}$ и ${ displaystyle c}$ ,

{ displaystyle { begin {align} 16A ^ {2} & = { begin {vmatrix} 2a ^ {2} & a ^ {2} + b ^ {2} -c ^ {2} a ^ {2 } + b ^ {2} -c ^ {2} & 2b ^ {2} end {vmatrix}} [8pt] & = 4a ^ {2} b ^ {2} - (a ^ {2} + b ^ {2} -c ^ {2}) ^ {2} [6pt] & = (a ^ {2} + b ^ {2} + c ^ {2}) ^ {2} -2 (a ^ {4} + b ^ {4} + c ^ {4}) [6pt] & = (a + b + c) (a + bc) (a-b + c) (- a + b + c) конец {выровнено}}}

Результат в третьей строке обусловлен Тождество Фибоначчи. Последнюю строку можно переписать, чтобы получить Формула Герона для площади треугольника даны три стороны, что было известно еще Архимеду.^[5]

На случай, если ${ displaystyle n = 3}$ , количество ${ displaystyle v_ {3}}$ дает объем тетраэдр, который мы обозначим через ${ displaystyle V}$ . Для расстояний между ${ displaystyle A_ {i}}$ и ${ displaystyle A_ {j}}$ данный ${ displaystyle d_ {ij}}$ , определитель Кэли – Менгера дает^[6]^[7]

{ displaystyle { begin {align} 144V ^ {2} = {} & { frac {1} {2}} { begin {vmatrix} 2d_ {01} ^ {2} & d_ {01} ^ {2} + d_ {02} ^ {2} -d_ {12} ^ {2} & d_ {01} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ {13} ^ {2} d_ {01} ^ {2} + d_ {02} ^ {2} -d_ {12} ^ {2} & 2d_ {02} ^ {2} & d_ {02} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ { 23} ^ {2} d_ {01} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ {13} ^ {2} & d_ {02} ^ {2} + d_ {03} ^ {2 } -d_ {23} ^ {2} & 2d_ {03} ^ {2} end {vmatrix}} [8pt] = {} & 4d_ {01} ^ {2} d_ {02} ^ {2} d_ { 03} ^ {2} + (d_ {01} ^ {2} + d_ {02} ^ {2} -d_ {12} ^ {2}) (d_ {01} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ {13} ^ {2}) (d_ {02} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ {23} ^ {2}) [6pt] & {} - d_ {01} ^ {2} (d_ {02} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ {23} ^ {2}) ^ {2} -d_ {02} ^ {2} ( d_ {01} ^ {2} + d_ {03} ^ {2} -d_ {13} ^ {2}) ^ {2} -d_ {03} ^ {2} (d_ {01} ^ {2} + d_ {02} ^ {2} -d_ {12} ^ {2}) ^ {2}. end {выровнено}}}

Нахождение описанного радиуса симплекса

Учитывая невырожденный n-симплекс, он имеет описанную n-сферу с радиусом ${ displaystyle r}$ . Тогда (n + 1) -симплекс, составленный из вершин n-симплекса и центра n-сферы, вырожден. Таким образом, мы имеем

${ displaystyle { begin {vmatrix} 0 & r ^ {2} & r ^ {2} & r ^ {2} & cdots & r ^ {2} & 1 r ^ {2} & 0 & d_ {01} ^ {2} & d_ { 02} ^ {2} & cdots & d_ {0n} ^ {2} & 1 r ^ {2} & d_ {01} ^ {2} & 0 & d_ {12} ^ {2} & cdots & d_ {1n} ^ { 2} & 1 r ^ {2} & d_ {02} ^ {2} & d_ {12} ^ {2} & 0 & cdots & d_ {2n} ^ {2} & 1 vdots & vdots & vdots & vdots & ddots & vdots & vdots r ^ {2} & d_ {0n} ^ {2} & d_ {1n} ^ {2} & d_ {2n} ^ {2} & cdots & 0 & 1 1 & 1 & 1 & 1 & cdots & 1 & 0 end {vmatrix}} = 0}$

В частности, когда ${ displaystyle n = 2}$ , это дает радиус описанной окружности треугольника с точки зрения длины его ребер.

Смотрите также

Геометрия расстояния

Заметки

^ An п-мерное тело нельзя погрузить в k-мерное пространство, если ${ Displaystyle к <п.}$
^ (Гипер) объем фигуры не зависит от порядка нумерации ее вершин.

использованная литература

^ Соммервилл, Д. М. Я. (1958). Введение в геометрию п Габаритные размеры. Нью-Йорк: Dover Publications.
^ "Простые объемы и детерминант Кэли-Менгера". www.mathpages.com. Архивировано из оригинал 16 мая 2019 г.. Получено 2019-06-08.
^ Blumenthal, L.M .; Гиллам, Б. Э. (1943). «Распределение точек в n-пространстве». Американский математический ежемесячник. 50 (3): 181. Дои:10.2307/2302400. JSTOR 2302400.
^ Тао, Терренс (25 мая 2019 г.). «Сферический определитель Кэли-Менгера и радиус Земли». Какие новости. Получено 2019-06-10.
^ Хит, Томас Л. (1921). История греческой математики (Том II). Издательство Оксфордского университета. С. 321–323.
^ Одет, Даниэль. "Сферические детерминанты и гиперболические детерминанты Кэли-Менгера" (PDF). Бюллетень AMQ. LI: 45–52.
^ Дёрри, Генрих (1965). 100 великих задач элементарной математики. Нью-Йорк: Dover Publications. стр.285 –9.

[1] An п-мерное тело нельзя погрузить в k-мерное пространство, если ${ Displaystyle к <п.}$

[3] (Гипер) объем фигуры не зависит от порядка нумерации ее вершин.

[2] Соммервилл, Д. М. Я. (1958). Введение в геометрию п Габаритные размеры. Нью-Йорк: Dover Publications.

[4] "Простые объемы и детерминант Кэли-Менгера". www.mathpages.com. Архивировано из оригинал 16 мая 2019 г.. Получено 2019-06-08.

[:0-5] Blumenthal, L.M .; Гиллам, Б. Э. (1943). «Распределение точек в n-пространстве». Американский математический ежемесячник. 50 (3): 181. Дои:10.2307/2302400. JSTOR 2302400.

[6] Тао, Терренс (25 мая 2019 г.). «Сферический определитель Кэли-Менгера и радиус Земли». Какие новости. Получено 2019-06-10.

[7] Хит, Томас Л. (1921). История греческой математики (Том II). Издательство Оксфордского университета. С. 321–323.

[8] Одет, Даниэль. "Сферические детерминанты и гиперболические детерминанты Кэли-Менгера" (PDF). Бюллетень AMQ. LI: 45–52.

[9] Дёрри, Генрих (1965). 100 великих задач элементарной математики. Нью-Йорк: Dover Publications. стр.285 –9.

[а]

[1]

[b]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]