Евклидтік қашықтық - Euclidean distance

Екі өлшемді эвклидтік қашықтықты есептеу үшін Пифагор теоремасын қолдану

Жылы математика, Евклидтік қашықтық екі нүкте арасындағы Евклид кеңістігі - бұл сан, ұзындығы а сызық сегменті -дан есептеуге болады Декарттық координаттар нүктелерін қолданып Пифагор теоремасы, және кейде деп аталады Пифагор қашықтығы.Бұл атаулар ежелгі грек математиктерінен шыққан Евклид және Пифагор, бірақ Евклид қашықтықты сандар түрінде көрсетпеген, ал Пифагор теоремасынан қашықтықты есептеу байланысы 17 ғасырға дейін болған жоқ.

Нүкте болып табылмайтын екі объектінің арақашықтығы, әдетте, екі объектінің жұп нүктелері арасындағы ең аз қашықтық деп анықталады. Формулалар әр түрлі типтегі объектілер арасындағы қашықтықты есептеу үшін белгілі, мысалы нүктеден сызыққа дейінгі қашықтық. Жетілдірілген математикада қашықтық ұғымы абстрактіліге дейін жалпыланған метрикалық кеңістіктер, және Евклидтен басқа қашықтықтар зерттелген. Статистика мен оңтайландырудағы кейбір қосымшаларда қашықтықтың орнына Евклид қашықтығының квадраты қолданылады.

Қашықтық формулалары

Бір өлшем

Бойынша кез келген екі нүктенің арақашықтығы нақты сызық болып табылады абсолютті мән олардың координаталарының сандық айырымының. Осылайша, егер және нақты сызықтағы екі нүкте, содан кейін олардың арасындағы қашықтық келесі түрде беріледі:[1]

Дәл осындай мән беретін, бірақ жоғары өлшемдерге тезірек жалпылайтын неғұрлым күрделі формула:[1]
Осы формулада, квадраттау содан кейін шаршы түбір кез келген оң санды өзгеріссіз қалдырады, бірақ кез келген теріс санды оның абсолюттік мәнімен ауыстырады.[1]

Екі өлшем

Ішінде Евклидтік жазықтық, көрсетейік бар Декарттық координаттар және көрсетіңіз координаттары бар . Содан кейін арасындағы қашықтық және береді:[2]

Мұны қолдану арқылы көруге болады Пифагор теоремасы а тік бұрышты үшбұрыш бастап көлденең және тік жақтары бар, кесіндісі бастап дейін оның гипотенузасы ретінде. Квадрат түбірдің ішіндегі екі квадрат формула көлденең және тік жақтарындағы квадраттардың аудандарын береді, ал сыртқы квадрат түбір гипотенузадағы квадрат ауданын гипотенузаның ұзындығына айналдырады.[3]

Сонымен берілген нүктелер үшін арақашықтықты есептеуге болады полярлық координаттар. Егер полярлық координаталары болып табылады және полярлық координаталары болып табылады , онда олардың арақашықтықтары[2]

Қашан және ретінде өрнектеледі күрделі сандар ішінде күрделі жазықтық, нақты сандар түрінде көрсетілген бір өлшемді нүктелер үшін бірдей формуланы қолдануға болады:[4]

Жоғары өлшемдер

Шығару - Пифагор теоремасын бірнеше рет қолдану арқылы өлшемді эвклидтік арақашықтық формуласы

Үш өлшемде олардың декарттық координаттары берген нүктелер үшін арақашықтық болады

Жалпы, декарттық координаттар берген нүктелер үшін -өлшемді эвклид кеңістігі, қашықтық[5]

Ұпайлардан басқа объектілер

Екі нүкте де емес объектілер жұбы үшін қашықтықты екі объектінің кез-келген екі нүктесінің арасындағы ең кіші арақашықтық ретінде анықтауға болады, дегенмен нүктелерден жиындарға дейінгі күрделі жалпылау. Хаусдорф арақашықтық сонымен қатар жиі қолданылады.[6] Әр түрлі типтегі объектілер арасындағы қашықтықты есептеу формулаларына:

Қасиеттері

Евклид қашықтығы - а-дағы қашықтықтың прототиптік мысалы метрикалық кеңістік,[9] және метрикалық кеңістіктің барлық анықтайтын қасиеттеріне бағынады:[10]

  • Бұл симметриялы, бұл барлық нүктелер үшін және , . Яғни (бір бағыттағы көшелермен жолдың арақашықтығынан айырмашылығы), екі нүктенің арақашықтығы екі нүктенің қайсысы басталатынына, қайсысы баратын жеріне байланысты емес.[10]
  • Бұл оң, әрбір екі нүктенің арақашықтығы а болатындығын білдіреді оң сан, кез келген нүктеден өзіне дейінгі қашықтық нөлге тең.[10]
  • Ол мыналарға бағынады үшбұрыш теңсіздігі: әрбір үш ұпай үшін , , және , . Интуитивті, бастап саяхаттау дейін арқылы тікелей жүруден қысқа болуы мүмкін емес дейін .[10]

Басқа мүлік, Птоломейдің теңсіздігі, төрт нүктенің арасындағы эвклидтік қашықтыққа қатысты , , , және . Онда көрсетілген

Жазықтықтағы нүктелер үшін мұны әрқайсысы үшін білдіретін етіп өзгертуге болады төртбұрыш, төртбұрыштың қарама-қарсы жақтарының көбейтінділері оның диагональдарының көбейтіндісінен кем дегенде үлкен санға қосылады. Алайда, Птоломей теңсіздігі жалпы түрде кез-келген өлшемдегі эвклид кеңістігіндегі нүктелерге қатысты, олар қалай орналасса да.[11]Евклид қашықтық геометриясы Птолемей теңсіздігі сияқты эвклидтік қашықтықтың қасиеттерін және олардың берілген қашықтық жиынтықтары эвклид кеңістігіндегі нүктелерден келетіндігін тексеруде қолдануды зерттейді.[12]

Евклидтік квадраттық қашықтық

A конус, график Евклидтің жазықтықтағы басталу қашықтығы
A параболоид, басынан квадраттық эвклидтік арақашықтықтың графигі

Көптеген қосымшаларда, атап айтқанда, қашықтықты салыстыру кезінде, эвклидтік арақашықтықты есептеу кезінде соңғы квадрат түбірді алып тастау ыңғайлы болуы мүмкін. Осы жіберіп алудың мәні - болып табылады шаршы Евклид қашықтығы, және деп аталады квадраттық эвклидтік қашықтық.[13] Теңдеу ретінде оны а түрінде көрсетуге болады квадраттардың қосындысы:

Евклидтің квадраттық арақашықтығы арақашықтықты салыстыру үшін қолданудан басқа маңызды болып табылады статистика, ол әдісінде қолданылатын жер ең кіші квадраттар, статистикалық бағаларды деректерге сәйкестендірудің стандартты әдісі, бақыланатын және бағаланған мәндер арасындағы квадраттық арақашықтықтың орташа мәнін азайту.[14] Квадраттық арақашықтықтарды бір-біріне қосу, кем дегенде квадраттарды орналастыру кезінде жасалады, деп аталады (квадратсыз) қашықтықтарда Пифагорлық қосымша.[15] Жылы кластерлік талдау, квадраттық қашықтықты алыс қашықтықтың әсерін күшейту үшін пайдалануға болады.[13]

Квадраттық Евклид қашықтығы метрикалық кеңістікті құрмайды, өйткені ол үшбұрыштың теңсіздігін қанағаттандырмайды.[16] Алайда бұл тегіс, қатаң дөңес функция екі нүктеден, қашықтықтан айырмашылығы, тегіс емес (тең нүктелердің жұптарының жанында) және дөңес, бірақ қатаң дөңес емес. Осылайша квадраттық қашықтыққа артықшылық беріледі оңтайландыру теориясы, өйткені бұл мүмкіндік береді дөңес талдау пайдалану керек. Квадраттау - бұл а монотонды функция квадраттық арақашықтықты минимизациялау теріс емес мәндердің эвклидтік қашықтықты азайтуға тең, сондықтан оңтайландыру мәселесі екеуіне де тең, бірақ квадраттық қашықтықты қолдану арқылы шешу оңайырақ.[17]

Ақырлы жиынтықтан жұп нүктелер арасындағы барлық квадраттық қашықтықтардың жиынтығын а-да сақтауға болады Евклидтік қашықтық матрицасы.[18] Жылы рационалды тригонометрия, квадраттық эвклидтік қашықтық қолданылады, өйткені (эвклидтік арақашықтықтан өзгеше) нүктелер арасындағы квадраттық арақашықтық рационалды сан координаттар әрқашан ұтымды; бұл тұрғыда оны «квадранса» деп те атайды.[19]

Жалпылау

Математиканың неғұрлым жетілдірілген салаларында Евклид кеңістігін а ретінде қарастырған кезде векторлық кеңістік, оның арақашықтығы а норма деп аталады Евклидтік норма, әр вектордың -ден қашықтығы ретінде анықталады шығу тегі. Бұл норманың басқа нормаларға қатысты маңызды қасиеттерінің бірі - оның шығу тегі айналасындағы кеңістіктің ерікті айналуында өзгеріссіз қалады.[20] Авторы Дворецкий теоремасы, кез келген ақырлы нормаланған векторлық кеңістік өлшемі кіші кеңістікке ие, онда норма шамамен евклидтік болады; евклидтік норма - бұл осы қасиетке сәйкес жалғыз норма.[21] Оны вектор ретінде шексіз векторлық кеңістіктерге дейін кеңейтуге болады L2 норма немесе L2 қашықтық.[22]

Евклид кеңістігі мен өлшемді емес векторлық кеңістіктегі басқа арақашықтықтарға мыналар жатады:[23]

Үш өлшемдегі беттердегі нүктелер үшін Евклид қашықтығын мынаған теңестіру керек геодезиялық қашықтық, бетіне жататын ең қысқа қисықтың ұзындығы. Атап айтқанда, жердегі немесе басқа сфералық беттердегі үлкен шеңбер арақашықтықтарын өлшеу үшін қолданылған қашықтықтарға гаверин қашықтығы сферадағы екі нүктенің арасындағы үлкен шеңбер арақашықтықтарын олардың ендіктері мен ендіктерінен және Винсентийдің формулалары сфероидтағы қашықтық үшін «винсенттік қашықтық» деп те аталады.[24]

Тарих

Евклидтік қашықтық - ішіндегі арақашықтық Евклид кеңістігі; екі ұғым да көне грек математигінің есімімен аталады Евклид, кімнің Элементтер көптеген ғасырлар бойы геометрияның стандартты оқулығына айналды.[25] Туралы түсініктер ұзындығы және қашықтық мәдениеттер арасында кең таралған, алғашқы протолитатталған бюрократиялық құжаттардан бастап сақталуы мүмкін. Шумер төртінші мыңжылдықта (Евклидке дейін),[26] және жылдамдық пен уақыттың байланысты тұжырымдамаларына қарағанда балаларда ертерек дамиды деген болжам жасалды.[27] Бірақ қашықтық ұғымы, екі нүктеден анықталатын сан ретінде, Евклидтікінде болмайды Элементтер. Оның орнына Евклид бұл тұжырымдамаға үйлесімділік сызық сегменттері, сызық кесінділерінің ұзындықтарын салыстыру арқылы және пропорционалдылық.[28]

The Пифагор теоремасы ежелгі, бірақ ол қашықтықты өлшеудегі өзінің орталық рөлін өнертабыспен ғана алды Декарттық координаттар арқылы Рене Декарт 1637 жылы.[29] Осыған байланысты Евклид қашықтығын кейде Пифагор қашықтығы деп те атайды.[30] Евклидтік емес жер бетіндегі қашықтықты дәл өлшеу ежелгі дәуірден бастап көптеген мәдениеттерде қайтадан зерттелген болса да (қараңыз) геодезия тарихы ), эвклидтік қашықтық математикалық кеңістіктегі нүктелер арасындағы қашықтықты өлшеудің жалғыз әдісі болмауы мүмкін деген ой, 19 ғасырда тұжырымдалғаннан кейін пайда болды. евклидтік емес геометрия.[31] Үш өлшемнен астам геометрияға арналған эвклидтік норма мен евклидтік арақашықтықтың анықтамасы алғаш рет 19 ғасырда пайда болды. Августин-Луи Коши.[32]

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б c Смит, Карл (2013), Алдын ала есептеу: графикалық бейнелеудің функционалды әдісі және есептер шығару, Джонс және Бартлетт баспагерлері, б. 8, ISBN  9780763751777
  2. ^ а б Коэн, Дэвид (2004), Алдын ала есептеу: проблемаға бағытталған тәсіл (6-шы басылым), Cengage Learning, б. 698, ISBN  9780534402129
  3. ^ Ауфман, Ричард Н .; Баркер, Вернон С .; Ұлт, Ричард Д. (2007), Колледж тригонометриясы (6-шы басылым), Cengage Learning, б. 17, ISBN  9781111808648
  4. ^ Андреску, Титу; Андрица, Дорин (2014), «3.1.1 Екі нүкте арасындағы қашықтық», А-дан ... Z-ге дейінгі күрделі сандар (2-ші басылым), Бирхязер, 57-58 б., ISBN  978-0-8176-8415-0
  5. ^ Табак, Джон (2014), Геометрия: Кеңістік және форма тілі, Файл математикалық кітапханасындағы фактілер, Infobase Publishing, б. 150, ISBN  9780816068760
  6. ^ Ear Searcóid, Mícheál (2006), «2.7 Set-тен Set-ке дейінгі арақашықтық», Метрикалық кеңістіктер, Springer студенттерінің математика сериясы, Springer, 29-30 б., ISBN  9781846286278
  7. ^ а б Баллантин, Дж. П .; Джерберт, А.Р. (1952 ж. Сәуір), «Сызықтан немесе жазықтықтан нүктеге дейінгі арақашықтық», Сынып жазбалары, Американдық математикалық айлық, 59 (4): 242–243, дои:10.2307/2306514, JSTOR  2306514
  8. ^ Белл, Роберт Дж. Т. (1914), «49. Екі сызық арасындағы ең қысқа арақашықтық», Үш өлшемді координаталық геометрия туралы қарапайым трактат (2-ші басылым), Макмиллан, 57-61 б
  9. ^ Иванов, Олег А. (2013), As сияқты оңай ?: Жоғары математикаға кіріспе, Springer, б. 140, ISBN  9781461205531
  10. ^ а б c г. Стрихартз, Роберт С. (2000), Талдау тәсілі, Джонс және Бартлетт оқыту, б. 357, ISBN  9780763714970
  11. ^ Адам, Джон А. (2017), Сәулелер, толқындар және шашырау: Классикалық математикалық физикадағы тақырыптар, Қолданбалы математикадағы Принстон сериясы, Принстон университетінің баспасы, 26–27 б., ISBN  9781400885404
  12. ^ Либерти, Лео; Lavor, Carlile (2017), Евклидтік қашықтық геометриясы: кіріспе, Математика мен технологиядағы Springer бакалавриат мәтіндері, Springer, б. xi, ISBN  9783319607924
  13. ^ а б Спенсер, Нил Х. (2013), «5.4.5 квадраттық эвклидтік арақашықтық», Көп айнымалы деректерді талдау негіздері, CRC Press, б. 95, ISBN  9781466584792
  14. ^ Рандольф, Карен А.; Майерс, Лаура Л. (2013), Көп айнымалы талдаудағы негізгі статистика, Әлеуметтік жұмысты зерттеу әдістеріне арналған қалта нұсқаулығы, Оксфорд университетінің баспасы, б. 116, ISBN  9780199764044
  15. ^ Молер, Клив және Дональд Моррисон (1983), «Пифагорлық суммалардың квадрат тамырларын ауыстыру» (PDF), IBM Journal of Research and Development, 27 (6): 577–581, CiteSeerX  10.1.1.90.5651, дои:10.1147 / rd.276.0577
  16. ^ Мильке, Пол В.; Берри, Кеннет Дж. (2000), «Атмосфералық ғылымдағы евмклидтік арақашықтыққа негізделген алмастыру әдістері», Браун, Тимоти Дж.; Мильке, кіші Пол В. (ред.), Атмосфералық ғылымдардағы статистикалық тау-кен және деректерді визуалдау, Springer, 7–27 б., дои:10.1007/978-1-4757-6581-6_2
  17. ^ Каплан, Уилфред (2011), Максима және Минима қосымшалары: практикалық оңтайландыру және екі жақтылық, Дискретті математика және оңтайландыру бойынша Wiley сериялары, 51, Джон Вили және ұлдары, б. 61, ISBN  9781118031049
  18. ^ Альфахих, Абдо Ю. (2018), Евклидтік қашықтық матрицалары және олардың қаттылық теориясындағы қолданылуы, Springer, б. 51, ISBN  9783319978468
  19. ^ Хенле, Майкл (желтоқсан 2007 ж.), «Шолу Құдайдың пропорциялары Н.Дж. Уайлдбергер », Американдық математикалық айлық, 114 (10): 933–937, JSTOR  27642383
  20. ^ Копейкин, Сергей; Ефроимский, Майкл; Каплан, Джордж (2011), Күн жүйесінің релятивистік аспан механикасы, Джон Вили және ұлдары, б. 106, ISBN  9783527634576
  21. ^ Матушек, Джири (2002), Дискретті геометрия бойынша дәрістер, Математика бойынша магистратура мәтіндері, Springer, б. 349, ISBN  978-0-387-95373-1
  22. ^ Сиарлет, Филипп Г. (2013), Қолданбалы сызықтық және сызықтық емес функционалдық талдау, Өндірістік және қолданбалы математика қоғамы, б. 173, ISBN  9781611972580
  23. ^ Кламрот, Катрин (2002), «1.1 бөлім: Нормалар мен метрикалар», Кедергілермен бір нысанды орналастыру проблемалары, Операцияларды зерттеудегі Springer сериясы, Springer, 4-6 бет, дои:10.1007/0-387-22707-5_1
  24. ^ Паниграхи, Нараян (2014), «12.2.4 Гаверсин формуласы және 12.2.5 Винсентий формуласы», Геоақпараттық жүйелердегі есептеу, CRC Press, 212–214 бет, ISBN  9781482223149
  25. ^ Чжан, Джин (2007), Ақпаратты іздеу үшін көрнекілік, Springer, ISBN  9783540751489
  26. ^ Хойруп, Дженс (2018), «Месопотамия математикасы» (PDF), Джонста, Александр; Тауб, Ливия (ред.), Кембридж ғылымының тарихы, 1 том: ежелгі ғылым, Кембридж университетінің баспасы, 58-72 бет
  27. ^ Акредоло, Курт; Шмид, Жаннин (1981), «Салыстырмалы жылдамдықтарды, арақашықтықтарды және ұзақтықты түсіну», Даму психологиясы, 17 (4): 490–493, дои:10.1037/0012-1649.17.4.490
  28. ^ Хендерсон, Дэвид В. (2002), «Шолу Геометрия: Евклид және одан әрі авторы Робин Хартшорн », Американдық математикалық қоғамның хабаршысы, 39: 563–571
  29. ^ Маор, Эли (2019), Пифагор теоремасы: 4000 жылдық тарих, Принстон университетінің баспасы, б. 133, ISBN  9780691196886
  30. ^ Ранкин, Уильям С .; Маркли, Роберт П .; Эванс, Селби Х. (1970 ж. Наурыз), «Пифагор қашықтығы және схемалық тітіркендіргіштердің ұқсастықтары», Қабылдау және психофизика, 7 (2): 103–107, дои:10.3758 / bf03210143
  31. ^ Милнор, Джон (1982), «Гиперболалық геометрия: алғашқы 150 жыл», Американдық математикалық қоғамның хабаршысы, 6 (1): 9–24, дои:10.1090 / S0273-0979-1982-14958-8, МЫРЗА  0634431
  32. ^ Ратклифф, Джон Г. (2019), Гиперболалық көпжақты негіздер, Математика бойынша магистратура мәтіндері, 149 (3-ші басылым), Springer, б. 32, ISBN  9783030315979