نمودار ورنوی
در علم ریاضیات، نمودار ورنوی روشی برای تقسیم فضا به تعدادی ناحیه میباشد. در این دیاگرام به هر مجموعهای از نقاط (که دامنهها، سایتها یا ژنراتورها نامیده میشوند) ناحیهای اختصاص داده میشود. این نواحی سلولهای ورونوی نامیده میشود. برای یک مجموعه از نقاط دیاگرام ورونوی سطح را به مناطقی تقسیمبندی میکند که برای هر نقطه از مجموعه نقاط یک منطقه تعریف میشود. به طوری که تمام نقاط این منطقه به نقطه تولیدکننده آن منطقه نزدیکتر میباشد. از کاربردهای این دیاگرام در مثلث بندی دیلانی میباشد.
این دیاگرام به افتخار یوهان پتر گوستاف لوژون دیریکله به نام موزاییک کاری دیریکله، و بعد از گریگوری وُرنوی به نام موزاییک کاری وُرُنوی یا تجزیه وُرُنوی نامیده شد. دیاگرامهای ورونوی در علوم و فناوریهای متعدد یا حتی در هنر کاربرد دارد و تاکنون کاربردهای متفاوتی از آن در زمینههای خاص گزارش شدهاست.
ساده ترین مورد
در سادهترین و بارزترین مورد (همان طور که در شکل نشان داده شدهاست) یک مجموعه متناهی از نقاط
تعریف رسمی
فرض کنید
نمودار ورونوی یک چندتایی ساده از سلولهای
توضیحات
به عنوان یک توضیح ساده، مجموعه از فروشگاهها را در یک شهر مسطح در نظر میگیریم. فرض کنید که میتوان تعداد مشتریان فروشگاه را تخمین زد. در نظر میگیریم سایر پارامترها (مانند قیمتها، محصولات، کیفیت خدمات و...)ثابت باشد. به طوریکه تنها فاکتور انتخاب فروشگاه توسط مشتریان فاصله تا فروشگاه باشد. بنابراین مشتریان فروشگاهی را انتخاب میکنند که از موقعیت آنها حداقل فاصله را داشته باشد. در اینجا سلول ورونوی
به هر حال اگر ما مسئله را طوری بررسی کنیم که مشتریان تنها با وسیله نقلیه به فروشگاه رفته و مسیرهای ترافیکی به موازات محورهایX و Y باشد، مانند جزیره منهتن، بنابراین تابع فاصله واقعی فاصله
ماهیت
- گراف دو تایی برای دیاگرام ورونوی (در مورد فضای اقلیدسی با سایتهای نقطهای) مشابه مثلث بندی دلانی برای همان مجموعه نقاط میباشد.
- نزدیکترین جفت نقاط متعلق به دو سلول مجاور در دیاگرام ورونوی میباشد.
- فرض کنید که مجموعهای از نقاط در فضای اقلیدسی داده شده باشد. بنابراین دو نقطه مجاور در پوش محدب وجود دارند اگر و تنها اگر سلولهای ورونوی آنها در یک جهت طولانی نامتناهی مشترک باشند.
- اگر فضای مورد مطالعه یک فضای هنجار و فاصله هر سایت قابل دسترسی باشد (به عنوان مثال هنگامی که یک سایت یک مجموعه فشرده یا توپ محصور شده باشد) پس هر سلول ورونوی میتواند به عنوان اجتماعی از قطعات خطی ناشی از سایتها نمایش داده شود. As همانطور که نشان داده شدهاست زمانی که فاصله تعیین نشده باشد لزوماً ماهیت نمودار حفظ نمیشود.
- تحت شرایط عمومی نسبی (فضای مورد مطالعه فضایی واحد و محدب و به احتمال زیاد دارای بعد نامحدود بوده و در نتیجه تعداد بسیار نامحدودی سایت در حالت عمومی وجود دارد.)سلولهای ورونوی دارای ماهیت پایدار معین خواهند بود: تغییر کوچکی در شکل سایتها، به عنوان مثال ایجاد تغییر توسط انتقال یا تحریف، منجر به تغییر شکل سلولهای ورونوی میشود که این عمر به دلیل پایدار هندسی دیاگرام ورونوی میباشد.. همانطور که در این جا نشان داده شدهاست در حالت عمومی ماهیت ثابت نخواهد ماند حتی اگر فضا دو بعدی (اما در شرایط محدب غیر یکنواخت و در حالت خاص غیر اقلیدسی) و سایتها نقطهها باشند.
تاریخچه و تحقیقات
استفاده غیر رسمی از دیاگرام ورونوی به سال ۱۶۴۴ و توسط دکارت بر میگردد.یوهان پتر گوستاف لوژون دیریکله از نمودارهای ورونوی دو و سه بعدی در مطالعات فرم و حالت درجه دو در سال ۱۸۵۰ استفاده کرد. فیزیکدان انگلیسی به نام جان اسنو در سال ۱۸۵۴ از یک نمودار ورونوی استفاده کرد تا بتواند پاسخ مناسبی برای این سؤال پیدا کند که چگونه اکثریت مردم ساکن سوهو که در اثر ابتلا به بیماری وبا جان خود را از دست میدهند در نزدیکی پمپهای «خیابان ِ برود» زندگی میکنند که آلوده به عامل عفونت وبا میباشد در صورتی که اقلیت مبتلایان از سایر پمپهای آب استفاده مینمودند.
دیاگرام ورونوی بعد از ریاضیدان اوکراینی گریگُری ورونوی با این نام شناخته شد. ورونوی در سال ۱۹۰۸ مطالعات خود را بر این دیاگرام در فضای
نمونهها
موزاییک کاری شبکههای منظم در دو یا سه بعد در بسیاری از موزاییک کاریهای معروف توسعه یافتهاست.
- یک شبکه دو بعدی یک موزاییک کاری شش گوش نامرتب با چند ضلعیهای برابر و تقارن نقاط ایجاد میکند. در مورد شبکه مثلثی منظم موزاییک کاری منظم خواهیم داشت. در مورد شبکه مستطیلی، شش ضلعی به مستطیل در سطر و ستون کاهش پیدا میکند. یک شبکه مربعی یک موزاییک کاری منظم از مربعات را ایجاد میکند. توجه داشته باشید که شبکههای مستطیلی و مربعی میتواند توسط سایر شبکهها نیز ایجاد شوند.(به عنوان مثال شبکه تولید شده به وسیله بردارهای (۱٬۰) و (۱/۲٬۱/۲) شبکه مربعی ایجاد میکند.)
- یک شبکه مکعبی ساده یک شش گوش مربعی میدهد.
- یک شبکه شش ضلعی فشرده فضای موزاییک کاری دوازده سطحی لوزی-ذوزنقه میدهد.
- یک شبکه مرکز وجوه پر فضای موزاییک کاری دوازده سطحی لوزی شکل تولید میکند.
- یک شبکه مرکز پر یک فضای موزاییک کاری هشت وجهی کوتاه میدهد.
- طرحهای موازی با شبکههای مثلثی مرتب که مرکزهایشان پشت سر هم قرار گرفتهاند منشور شش وجهی ایجاد میکند.
- شبکههای شش وجهی مرکز پر یک فضای موزاییک کاری دوازده سطحی شش وجهی –لوزی میدهد.
برای مجموعهای از نقاط (x, y) با در نظر گرفتن x در مجموعه جدا X و y در مجموعه مجزا Y به کاشی مستطیلی شکل خواهیم رسید که لزوماً نقاط در مرکز آنها قرار ندارند.
دیاگرام ورونوی مرتبه بالاتر
اگرچه یک سلول ورونوی نرمال به عنوان یک مجموعه از نقاط با نزدیکترین فاصله به یک نقطه تنها در S تعریف شدهاند، یک سلول ورونوی از مرتبه
دیاگرام ورونوی مرتبه بالاتر میتوانند به صورت بازگشتی تولید شوند. به منظور تولید نمودار ورونوی از مرتبه
نمودار ورونوی دورترین نقطه
برای یک مجموعه
برای یک مجموعه از نقاط
عمومیتها و تغییرات
به منظور روشن شدن موضوع توسط تعریف کردن، سلولهای ورونوی میتواند برای متریکهای غیر از فاصلههای اقلیدسی (مانند ماهالانوبیس و منهتن. به هر حال در این موارد مرزهای سلول ورونوی میتواند نسبت به موارد اقلیدسی پیچیده تر شود. چرا که مکان هندسی هم فاصله برای دو نقطه میتواند به زیر فضای هم بعد یک یا دو بعدی تقسیم شود.
یک نمودار ورونوی سنگین تابعی از زوج نقاط است که به منظور تعریف سلول ورونوی، تابع فاصله به وسیله ضرب یا جمع وزنهای نقاط تولید شده اصلاح میشود. در مقابل سلولهای ورونوی توسط فاصلههای متریک تعریف میشود. در این مورد برخی از سلولهای ورونوی ممکن است خالی باشند. یک دیاگرام توان نوعی لز دیاگرام ورونوی است که مجموعهای از دایرهها توسط فاصله توانی تعریف میشوند. این دیاگرام همچنین میتواند به عنوان دیاگرام ورونوی سنگین معرفی شود به طوری که یک وزن، از مجموع شعاع هر دایره و توان دوم فاصله از مرکز دایره تعریف میشود.
دیاگرام ورونوی n نقطه در فضای d بعدی، نیازمند فضای ذخیرهسازی
سلولهای ورونوی همچنین با سایر ساختارهای هندسی دیگر مانند محورهای میانی (به طوری که در قطعه بندی تصویر شناسایی ماهیت نوری و سایر کاربردهای محاسباتی دیگر مورد استفاده قرار میگیرد.)طرح ریزی مستقیم و نمودارهای نقطهای مرتبط است.
کاربردها
- در علم بیماریهای واگیردار دیاگرام ورونوی میتواند در منابع وابسته به عفونت در بیماریهای مسری مورد استفاده قرار گیرد. یکی از موارد استفاده اولیه دیاگرامهای ورونوی توسط John Snow در سال ۱۸۵۴ در زمان شیوع وبا در سوهو و در Broad Street میباشد. وی ارتباط بین نواحی روی نقشه لندن را که از پمپهای آبی خاص استفاده مینمودند و نواحی با بیشترین آمار مرگ و میر به دلیل شیوع بیماری وبا را با این دیاگرام نشان داد.
- یک ساختمان داده موقعیت نقطه میتواند در مورد دیاگرام ورونوی به منظور پاسخگویی یه جستجوی نزدیکترین همسایه ایجاد شود، در جایی که شخص بخواهد نزدیکترین شی را به نقطه مورد جستجو پیدا کند. جستجوی نزدیکترین همسایه چندین کاربرد دارد:به عنوان مثال ممکن است بخواهیم نزدیکترین بیمارستان یا اشیا مشابه را در پایگاه داده پیدا کنیم. بیشترین کاربرد در رقمی سازی بردار و معمولاً در فشرده سازی دادهها میباشد.
- در هندسه دیاگرامهای ورونوی میتواند به منظور یافتن بزرگترین محدوده خالی از مجموعه نقاط و همچنین در چند ضلعی محصور مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال برای تأسیس یک سوپر مارکت جدید در حداکثر فاصله از سایر سوپرمارکتهای موجود که در یک شهر خاص قرار گرفتهاند این دیاگرام کاربرد دارد.
- دیاگرام ورونوی و دیاگرام و دیاگرام ورونوی دورترین نقطه برای الگوریتمهای کارا به منظور محاسبه منحنی مجموعه نقاط مورد استفاده قرار میگیرد.
- روش ورونوی کاربرد مؤثری در سنجش مدور بودن/گرد بودن در زمان ارزیابی مجموعه دادهها توسط دستگاه سنجش مختصات دارد.
در فیزیک پلیمر دیاگرام ورونوی میتواند در نمایش دادن حجم خالی پلیمرها مورد استفاده قرار گیرد.
- در شبکه دیاگرامهای ورونوی میتواند در استخراج ظرفیت شبکه بی سیم استفاده شود.
- در علم آب و هواشناسی (اقلیم شناسی)دیاگرامهای ورونوی در محاسبه میزان بارش یک منطقه بر مبنای اندازهگیری مجموعهای از نقاط کاربرد دارد. در زمینه این کاربرد غالباً به چندضلعی Thiessen ارجاع داده میشود.
- در علم بوم شناسی دیاگرام ورونوی به منظور مطالعه الگوهای رشد جنگلها، تاجپوش جنگل و همچنین استفاده مؤثر در توسعه مدلهای پیش گویانه آتش سوزی جنگلها کاربرد دارد.
- در گرافیک کامپیوتر دیاگرامهای ورونوی به منظور ایجاد متنهای اثلی و ساختمانی به کار برده میشوند.
- در هدایت رباتهای مستقل دیاگرامهای ورونوی به منظور یافتن مسیرهای واضح کاربرد دارند.
- در شیمی محاسباتی سلولهای ورونوی که توسط موقعیت هسته در مولکول تعریف میشوند در محاسبه بارهای اتمی مورد استفاده قرار میگیرند. این امر توسط روش چگالی تغییر شکل ورونوی انجام میپذیرد.
- در دانش مواد ساختارهای میکروپلی کریستالی در آلیاژهای فلزی توسط موزاییک کاری ورونوی نمایش داده میشود.
- در استخراج معدن چند ضلعی ورونوی به منظور تخمین ذخایر مواد با ارزش، مواد معدنی یا سایر منابع کاربرد دارد. در اینجا حفرهها و سوراخ خای اکتشافی با عنوان مجموعه نقاط چندضلعی ورونوی میباشد.
- دریادگیری ماشینی دیاگرامهای ورونوی در انجام طبقهبندی 1-NN کاربرد دارد.
جستارهای وابسته
الگوریتمها
- الگوریتم Bowyer-Watson الگوریتمی برای ایجاد دیاگرام ورونوی برای هر بعدی میباشد.
- الگوریتم Fortune's بک الگوریتم ((O(n log (n به منظور ایجاد دیاگرام ورونوی از مجموعه نقاط در طرح میباشد.
- الگوریتم Lloyd's یک موزاییک کاری ورونوی در فضای با بعد دلخواه تولید میکند.
موضوعات مرتبط
یادداشتها
- ↑ Franz Aurenhammer (1991). Voronoi Diagrams – A Survey of a Fundamental Geometric Data Structure. ACM Computing Surveys, 23(3):345–405, 1991
- ↑ Atsuyuki Okabe, Barry Boots, Kokichi Sugihara & Sung Nok Chiu (2000). Spatial Tessellations – Concepts and Applications of Voronoi Diagrams. 2nd edition. John Wiley, 2000, 671 pages ISBN 0-471-98635-6
- ↑ Daniel Reem, An algorithm for computing Voronoi diagrams of general generators in general normed spaces, In Proceedings of the sixth International Symposium on Voronoi Diagrams in science and engineering (ISVD 2009), 2009, pp. 144–152
- ↑ Daniel Reem, The geometric stability of Voronoi diagrams with respect to small changes of the sites, Full version: arXiv 1103.4125 (2011), Extended abstract in Proceedings of the 27th Annual ACM Symposium on Computational Geometry (SoCG 2011), pp. 254–263
- ↑ Mark de Berg, Marc van Kreveld, Mark Overmars, and Otfried Schwarzkopf (2008). Computational Geometry (Third edition ed.). Springer-Verlag. 7.4 Farthest-Point Voronoi Diagrams. Includes a description of the algorithm.
- ↑ Skyum, Sven (1991). "A simple algorithm for computing the smallest enclosing circle". Information Processing Letters 37(1991)121–125. , contains a simple algorithm to compute the farthest-point Voronoi diagram.
- ↑ Edelsbrunner, Herbert (1987), "13.6 Power Diagrams", Algorithms in Combinatorial Geometry, EATCS Monographs on Theoretical Computer Science, vol. 10, Springer-Verlag, pp. 327–328.
- ↑ S. Arya, T. Malamatos, and D. M. Mount, Space-Efficient Approximate Voronoi Diagrams, Proc. 34th ACM Symp. on Theory of Computing (STOC 2002), pp. 721–730.
- ↑ Jooyandeh, Mohammadreza; Mohades, Ali; Mirzakhah, Maryam (2009). "Uncertain Voronoi Diagram" (PDF). Information Processing Letters. Elsevier. ۱۰۹ (۱۳): ۷۰۹–۷۱۲. doi:10.1016/j.ipl.2009.03.007. Archived from the original (PDF) on 27 April 2015. Retrieved 29 May 2013.
- ↑ Tom M. Mitchell (1997). Machine Learning (International Edition 1997 ed.). McGraw-Hill. p. ۲۳۳. ISBN 0-07-042807-7.
منابع
- G. Lejeune Dirichlet (1850). "Über die Reduktion der positiven quadratischen Formen mit drei unbestimmten ganzen Zahlen". Journal für die Reine und Angewandte Mathematik. ۴۰: ۲۰۹–۲۲۷.
- Voronoi, Georgy (1908). "Nouvelles applications des paramètres continus à la théorie des formes quadratiques". Journal für die Reine und Angewandte Mathematik. ۱۳۳: ۹۷–۱۷۸. doi:10.1515/crll.1908.133.97.
- Atsuyuki Okabe, Barry Boots, Kokichi Sugihara & Sung Nok Chiu (2000). Spatial Tessellations – Concepts and Applications of Voronoi Diagrams. 2nd edition. John Wiley, 2000, 671 pages ISBN 0-471-98635-6
- Aurenhammer, Franz (1991). "Voronoi Diagrams – A Survey of a Fundamental Geometric Data Structure". ACM Computing Surveys. ۲۳ (۳): ۳۴۵–۴۰۵. doi:۱۰٫۱۱۴۵/۱۱۶۸۷۳٫۱۱۶۸۸۰.
- Bowyer, A. (1981). "Computing Dirichlet tessellations". The Computer Journal. 24 (2): 162–166. doi:10.1093/comjnl/24.2.162. ISSN 0010-4620.
- Reem, Daniel (2009). "An algorithm for computing Voronoi diagrams of general generators in general normed spaces". Proceedings of the sixth International Symposium on Voronoi Diagrams in science and engineering (ISVD 2009). pp. 144–152. doi:10.1109/ISVD.2009.23.
- Nielsen, Frank; Boissonnat, Jean-Daniel; Nock, Richard (2007). "On Bregman Voronoi Diagrams". Proc. 18th ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA).
- Nielsen, Frank; Nock, Richard (2006). "On approximating the smallest enclosing Bregman Balls". Proc. 22nd ACM Symposium on Computational Geometry. pp. ۴۸۵–۴۸۶. doi:۱۰٫۱۱۴۵/۱۱۳۷۸۵۶٫۱۱۳۷۹۳۱.
- Daniel Reem (2011). The geometric stability of Voronoi diagrams with respect to small changes of the sites. Full version: arXiv 1103.4125 (2011), Extended abstract: in Proceedings of the 27th Annual ACM Symposium on Computational Geometry (SoCG 2011), pp. 254–263.
- Watson, D. F. (1981). "Computing the n-dimensional Delaunay tessellation with application to Voronoi polytopes". The Computer Journal. 24 (2): 167–172. doi:10.1093/comjnl/24.2.167. ISSN 0010-4620.
- Mark de Berg, Marc van Kreveld, Mark Overmars, and Otfried Schwarzkopf (2000). Computational Geometry (2nd revised edition ed.). Springer-Verlag. ISBN 3-540-65620-0. Chapter 7: Voronoi Diagrams: pp. 147–163. Includes a description of Fortune's algorithm.
- Rolf Klein (1989). Abstract voronoi diagrams and their applications. Lecture Notes in Computer Science. Vol. ۳۳۳. اشپرینگر ساینس+بیزینس مدیا. pp. 148–157. doi:۱۰٫۱۰۰۷/۳-۵۴۰-۵۰۳۳۵-۸_۳۱. ISBN 3-540-52055-4.
پیوند به بیرون
- Real time interactive Voronoi / Delaunay diagrams with draggable points، Java 1.0.2، 1996–1997
- Real time interactive Voronoi and Delaunay diagrams with source code
- Interactive Voronoi diagrams with Natural Neighbor Interpolation visualization (in WebGL)
- Demo for various metrics
- Mathworld on Voronoi diagrams
- Qhull for computing the Voronoi diagram in 2-d، 3-d، etc.
- Voronoi Diagrams: Applications from Archaeology to Zoology
- Voronoi Diagrams in CGAL، the Computational Geometry Algorithms Library
- Voronoi Web Site: using Voronoi diagrams for spatial analysis
- More discussions and picture gallery on centroidal Voronoi tessellations
- Voronoi Diagrams by Ed Pegg، Jr.، Jeff Bryant، and Theodore Gray، Wolfram Demonstrations Project.
- Nice explanation of voronoi diagram and visual implementation of fortune's algorithm
- A Voronoi diagram on a sphere
- Plot a Voronoi diagram with Mathematica