Formule za udaljenost točke do pravca u ravnini, u smislu lp - udaljenosti, 1 ≤ p ≤ ∞.
Aleksandra Jovičić diplomantica Odjela za matematiku, Sveučilišta J.J.Strossmayera u Osijeku, Trg Ljudevita Gaja 6, 31000 Osijek |
Kristian Sabo Odjel za matematiku, Sveučilište J.J.Strossmayera u Osijeku, Trg Ljudevita Gaja 6, 31000 Osijek ksabo@mathos.hr |
Formula za euklidsku udaljenost točke do pravca u ravnini dobro je poznata učenicima završnih razreda srednjih škola. U ovom radu promatramo općenitije probleme udaljenosti točke do pravca u ravnini, u smislu l_{p}-udaljenosti, 1\leq p\leq \infty. Pokazat ćemo da se i u tim slučajevima, također, mogu izvesti analogne formule za računanje udaljenosti točke do pravca.
Rad je proizašao iz Diplomskog rada: “p-norme na \mathbb{R}^{n} i problemi linearne aproksimacije” autorice Aleksandre Jovičić diplomantice Sveučilišnog nastavničkog studija matematike i informatike na Odjelu za matematiku Sveučilišta J.J.Strossmayera u Osijeku.
Funkcija udaljenosti, Udaljenost točke do pravca, l_{p}-udaljenost, Optimizacija.
Ako su A=(x_{1},y_{1}) te B=(x_{2},y_{2}) dvije točke u ravnini \mathbb{R}^{2}, onda
zovemo euklidska udaljenost točaka A i B. Nije teško pokazati (vidi, primjerice,
\bullet | [(i)] d_{2}(A,B)\geq 0 za svake dvije točke A i B iz \mathbb{R}^{2}, |
\bullet | [(ii)] d_{2}(A,B)=0 onda i samo onda ako je A=B, |
\bullet | [(iii)] d_{2}(A,B)=d_{2}(B,A) za svake dvije točke A i B iz \mathbb{R}^{2}, |
\bullet | [(iv)] d_{2}(A,C)+d_{2}(C,B)\geq d_{2}(A,B) za svake tri točke A,B i C iz \mathbb{R}^{2}. |
Općenito, svaku funkciju d:\mathbb{R}^{2}\times \mathbb{R}^{2}\to[0,\infty\rangle koja ima svojstva (i)-(iv) zovemo funkcija udaljenosti na \mathbb{R}^{2} (vidi, primjerice
Pretpostavimo da su u pravokutnom koordinatnom sustavu zadani točka T_{0}=(x_{0},y_{0}) te pravac \pi s jednadžbom y=k\,x+l, k,l\in\mathbb{R}. Još iz srednjoškolske matematike poznato je da se euklidska udaljenost d_{2}(T_{0},\pi) točke T_{0} do pravca \pi računa po formuli
Formula (
te je prema tome
To znači da se problem svodi na minimizaciju funkcije
Primijetimo da je umjesto prethodne funkcije dovoljno minimizirati funkciju \varphi_{2} zadanu s
Kako je \varphi_{2} kvadratna funkcija, njezin globalni minimum se postiže u apscisi tjemena odgovarajuće parabole, koju ćemo označiti s \xi_{2} te je
odakle iz d_{2}(T_{0},\pi)=\sqrt{\varphi_{2}(\xi_{2})}, nakon kraćeg računa dobivamo da je
d_{2}(T_{0},\pi)=\displaystyle\frac{|k\,x_{0}+l-y_{0}|}{\sqrt{k^{2}+1}}. |
Točku (\xi_{2}, k\,\xi_{2}+l) na pravcu \pi koja je u smislu euklidske udaljenosti najbliža točki T_{0} zovemo ortogonalna projekcija točke T_{0} na pravac \pi. Ortogonalna projekcija točke na pravac u ovom je slučaju, očigledno, jedinstvena.
Osim euklidske udaljenosti, moguće je, također, analizirati problem određivanja udaljenosti točke do pravca i u smislu nekih drugih funkcija udaljenosti. U ovom radu promatramo jednu klasu funkcija udaljenosti koje su poznate kao l_{p}-udaljenosti, 1\leq p\leq\infty. Spomenimo da je euklidska udaljenost specijalni slučaj l_{p}-udaljenosti za p=2. Pokazat ćemo da se za svaku od l_{p}-udaljenosti, 1\leq p\leq\infty, također, mogu izvesti lijepe zatvorene formule za udaljenost točke do pravca. Tehnike koje ćemo pri tome koristiti zahtijevaju samo poznavanje osnovnih tvrdnji Diferencijalnog računa funkcije jedne varijable. Kao motivacija za pripremu ovog rada poslužio je članak
Ako su A=(x_{1},y_{1}) i B=(x_{2},y_{2}), onda {l_{p}-udaljenost, 1\leq p\leq \infty,} točaka A i B definiramo na sljedeći način
Primijetimo da za p=2 dobivamo euklidsku udaljenost. Može se pokazati da svaka od l_{p}-udaljenosti, 1\leq p\leq\infty, zadovoljava uvjete (i)-(iv) iz prvog odjeljka te su one, sukladno tome, funkcije udaljenosti (vidi
Potpuno analogno kao i u slučaju euklidske udaljenosti, l_{p}-udaljenost d_{p}(T_{0},\pi) točke T_{0} do pravca \pi definiramo na sljedeći način
te
Gledano geometrijski, udaljenost točke T_{0} do pravca \pi možemo interpretirati na sljedeći način. Pretpostavimo da smo nacrtali {l_{p}-kružnicu}, 1\leq p \leq \infty (vidi primjerice
sa središtem u točki T_{0} malenog polumjera \varepsilon\gt 0. Napuhujemo li kružnicu S_{p}(T_{0},\varepsilon), 1\leq p\leq \infty, ona će u jednom trenutku za neki \varepsilon_{p}\gt 0 dotaknuti pravac \pi. Polumjer tako dobivene kružnice S_{p}(T_{0},\varepsilon_{p}), 1\leq p\leq \infty, očigledno predstavlja l_{p}- udaljenost točke T_{0} do pravca \pi (vidi Sliku
Iz tehničkih razloga u ovom odjeljku posebno ćemo izvesti formulu za slučaj l_{1}-udaljenosti. Neka su, kao i dosada, zadani točka T_{0}=(x_{0},y_{0}) te pravac y=k\,x+l. Pri tome u izvodu razlikujemo dvije različite mogućnosti: k=0 te k\neq 0.
Ako je k=0, onda funkcija x\mapsto |l-y_{0}|+|x-x_{0}| postiže globalni minimum u točki x=x_{0}, te je
Pretpostavimo da je k\neq 0. Funkcija
je omeđena odozdo te je
pa postoji točka iz \mathbb{R} u kojoj se postiže njezin globalni minimum. Nadalje, funkcija (
Očigledno je
Konačno iz formula (
d_{1}(T_{0},\pi)=\displaystyle\frac{|k x_{0}+l-y_{0}|}{\max\lbrace |k|,1\rbrace }. |
Označimo s (\xi_{1},\eta_{1})l_{1}-projekciju točke T_{0} na pravac \pi. Uočimo da se za |k|\gt 1 minimum funkcije (
Očito je
Pokažimo da se u slučaju |k|=1 minimum funkcije (
Zaista, za |k|=1 te \lambda\in[0,1] imamo
Zaključujemo kako je u slučaju |k|\neq 1, l_{1}-projekcija točke T_{0} na pravac \pi jedinstvena točka (\xi_{1},\eta_{1}) zadana s (
U ovom općem slučaju problem se svodi na minimizaciju funkcije
Slično kao kod euklidske udaljenosti dovoljno je minimizirati funkciju
Kako je funkcija \varphi_{p} omeđena odozdo te je
postoji točka iz \mathbb{R} u kojoj se postiže njezin globalni minimum. S ciljem određivanja te točke, posebno promatramo dva slučaja: k=0 te k\neq 0.
Ako je k=0, onda je \varphi_{p}(x)=|l-y_{0}|^{p}+|x-x_{0}|^{p}, te se njezin minimum postiže u točki x=x_{0} pa je
Neka je k\neq 0. Primijetimo da je funkcija \varphi_{p} derivabilna u svim točkama na \mathbb{R} osim možda u točkama x=x_{0} te x=\frac{y_{0}-l}{k} te ćemo u svrhu minimizacije funkcije \varphi_{p} upotrijebiti znanja iz Diferencijalnog računa funkcije jedne varijable.
Promatrajmo funkciju \varphi_{p} na skupu \mathbb{R}\setminus\left\lbrace x_{0},\frac{y_{0}-l}{k}\right\rbrace. Bez smanjenja općenitosti pretpostavimo da je x_{0}\lt \frac{y_{0}-l}{k} (slučaj x_{0}\geq \frac{y_{0}-l}{k} može se analizirati potpuno analogno).
Pokažimo najprije da funkcija \varphi_{p} nema stacionarnih točaka na intervalima \langle -\infty,x_{0}\rangle te \langle \frac{y_{0}-l}{k},+\infty\rangle.
Ako je x\in\langle -\infty, x_{0}\rangle, funkcija \varphi_{p} je derivabilna u x te je
gdje je \text{sign}(x)=\left\lbrace \begin{array}{rl} 1,& x\gt 0\\ 0,& x=0\\ -1,&x\lt 0, \end{array}\right. tzv. funkcija predznaka.
Ako je x\in\langle \frac{y_{0}-l}{k},+\infty\rangle, funkcija \varphi_{p} je derivabilna u x te je
Preostaje analizirati slučaj x\in\langle x_{0},\frac{y_{0}-l}{k}\rangle. Na tom je skupu funkcija \varphi_{p} također derivabilna te je
Rješenje jednadžbe \frac{d\varphi_{p}(x)}{dx}=0, glasi
Uočimo da je \xi_{p}\in\langle x_{0},\frac{y_{0}-l}{k}\rangle te
Kandidati za točku u kojoj se postiže globalni minimum funkcije \varphi_{p} su x_{0}, \frac{y_{0}-l}{k} te \xi_{p} zadana s (
U tu svrhu uočimo da za svaki 1\lt p\lt \infty i svaki k\in\mathbb{R} vrijedi
Konačno slijedi da je d_{p}(T_{0},\pi)=\left(\varphi(\xi_{p})\right)^{1/p}, odakle je
d_{p}(T_{0},\pi)=\displaystyle\frac{|k x_{0}+l-y_{0}|}{\left(|k|^{\frac{p}{p-1}}+1\right)^{\frac{p-1}{p}}},\quad 1\lt p\lt \infty. |
Iz izvoda formule (
Ako s q\in \mathbb{R} označimo tzv. konjugirani eksponent od p (vidi
Ako su T_{0}=(x_{0},y_{0}) te y=k\,x+l, onda je problem određivanja l_{\infty}-udaljenosti ekvivalentan minimizaciji funkcije
Analogno kao u slučaju funkcije \phi_{p} može se pokazati da postoji točka u kojoj se postiže globalni minimum funkcije \varphi_{\infty}. Funkcija \varphi_{\infty} je konveksna po dijelovima linearna funkcija te iz grafa (vidi Sliku
Ako je |k|\neq 1, ova jednadžba ima dva rješenja
te je
pri čemu je posljednja jednakost posljedica identiteta
koji se može lako provjeriti. Slično se može analizirati slučaj |k|=1, te konačno dobivamo formulu
d_{\infty}(T_{0},\pi)=\displaystyle\frac{|k\,x_{0}+l-y_{0}|}{|k|+1}. |
Primijetimo, također, da je
Izvod formule za l_{\infty}-projekciju točke T_{0} na pravac \pi ostavljamo zainteresiranim čitateljima.
Na kraju ćemo rezimirati sve prethodno navedene formule. Ako su p,q\in\mathbb{R} konjugirani eksponenti, odnosno, takvi da je \frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1 te ako je konjugirani eksponent od p=1 definiramo uobičajeno kao q=\infty, onda l_{p}-udaljenost 1\leq p\leq \infty, d_{p}(T_{0},\pi) točke T_{0} do pravca \pi glasi
d_{p}(T_{0},\pi)=\displaystyle\frac{|k\,x_{0}+l-y_{0}|}{d_{q}((k,1),(0,0))}. |
Također, osim u eksplicitnom obliku, pravac \pi možemo promatrati u implicitnom obliku ax+by+c=0. U tom se slučaju može izvesti odgovarajuća formula za udaljenost točke T_{0} do pravca \pi, koja glasi
d_{p}(T_{0},\pi)=\displaystyle\frac{|a\,x_{0}+b\,y_{0}+c|}{d_{q}((a,b),(0,0))}, |
gdje su p,q\in\mathbb{R} konjugirani eksponenti.