Inom geometri betecknar barycentriska koordinater (från grekiska βαρύς, barys, "tung" och κέντρον, kentron, "centrum") en uppsättning av n+1 tal, vilka anger en punkts läge i förhållande till en n-dimensionell simplex (sträcka, triangel, tetraeder, etcetera) i det n-dimensionella rummet genom att ange relativa vikter som, om de placeras i hörnen på denna simplex, gör punkten till simplexens geometriska tyngdpunkt. I allmänhet avses läget av en punkt i planet i förhållande till en triangel.[1][2] De skall inte förväxlas med begreppet "barycentrum" som används inom astronomi för att ange den gemensamma tyngdpunkten för en uppsättning himlakroppar (även om begreppet är närbesläktat). Barycentriska koordinater infördes av August Ferdinand Möbius 1827 i Der Barycentrische Calcul.[3]

Barycentriska koordinater skrivs vanligtvis separerade av kolon (exempelvis för en punkt i planet i förhållande till en triangel i samma plan).

Om alla koordinaterna är större än noll ligger punkten innanför simplexens begränsningar och är en eller flera koordinater noll ligger punkten på begränsningarna. Alla koordinater kan inte vara noll. Är någon koordinat negativ ligger punkten utanför simplexen (det motsvarar att en "negativ vikt", eller en "lyftkraft", måste placeras i hörnet). Någon koordinat måste ha ett positivt värde.

De barycentriska koordinaterna är relativa, vilket innebär att endast deras inbördes förhållanden spelar roll: är detsamma som eller .

Med absoluta barycentriska koordinater menas att koordinaterna normerats så att deras summa blir lika med ett. För att normera koordinaterna delar man dem med deras summa. Exempelvis om koordinaterna divideras med summan av dem () får vi de absoluta barycentriska koordinaterna .[4]

Inom astronomi används termen barycentriskt koordinatsystem för att ange ett koordinatsystem (sfäriskt eller kartesiskt) med origo i systemets tyngdpunkt (exempelvis solsystemets tyngdpunkt).

Barycentriska koordinater i en dimension redigera

 
Figur 1. Endimensionella barycentriska koordinater är väldigt triviala, men mönstret följer med när antalet dimensioner ökar.

Endimensionella barycentriska koordinater beskriver läget av en punkt på en linje i förhållande till en given sträcka på linjen. Låt oss kalla sträckans ändpunkter för   och   som i figur 1. De barycentriska koordinaterna anger då hur mycket massa vi skall placera i (eller hur mycket kraft vi skall applicera på)   respektive   för att tyngdpunkten skall befinna sig i   relativt sett. Placerar vi all massa i   ligger tyngdpunkten i   och   ligger alltså i   och har, exempelvis, koordinaterna   (och motsvarande för   såklart). För att ange de barycentriska koordinaterna för   skall vi alltså beräkna två krafter applicerade i   respektive   (vilket ger oss koordinaterna  ) som ger ett motverkande vridmoment i förhållande till  , det vill säga att  , vilket ger oss koordinaterna  . Eftersom endast koordinaternas relativa värden är av intresse kan vi multiplicera dem med  , vilket ger oss de likvärdiga koordinaterna  . Dessa kan "normeras" genom att dividera dem med   varvid deras summa blir lika med ett. Vi ser att respektive koordinat är proportionell mot det "riktade" avståndet från den andra ändpunkten. I det fall man anger de fakiska avstånden   talar man om de homogena barycentriska koordinaterna med avseende på sträckan  .[5]

Barycentriska koordinater i två dimensioner redigera

 
Figur 2.
 
Absoluta barycentriska koordinater för vissa punkter i en liksidig respektive rätvinklig triangel.

Tvådimensionella barycentriska koordinater beskriver läget av en punkt   i planet i förhållande till en triangel   i samma plan (se figur 2). Genom att placera tre "vikter" i de tre triangelhörnen (eller applicera tre krafter på hörnen) skall vi "balansera" triangeln i  .

Vi börjar med att placera all vikt   i  . Därefter balanserar vi vikten längs linjen   (i enlighet med resonemanget för endimensionella koordinater) så att vi placerar   i   och   i  , varefter vi balanserar vikten i   längs   genom att flytta   till   och   till  .

Detta innebär att   fortfarande är tyngdpunkt på  , vilket innebär att triangeln fortfarande är balanserad i   och att all vikt befinner sig fördelad på  ,   eller  .

Vi noterar av det ovanstående att  . På samma sätt kan vi visa att   och  .[6]

Detta leder till att   (i det fall arean av en deltriangel ligger helt utanför   är dess area negativ.) är barycentiska koordinter för  , eftersom

 

och på samma sätt är   och  .

Detta ger oss att

 

 .

Dessa kallas de homogena barycentriska koordinaterna relativt triangeln  .[7][8] Vi kan normera dem genom att dividera var och en av dem med   så att deras summa blir lika med ett, vilket ger oss de absoluta barycentriska koordinaterna (vilka även kallas areal coordinates, "areella koordinater", på engelska[9]):

 

Barycentriska koordinater i tre eller flera dimensioner redigera

 
Figur 3.

Det tredimensionella fallet: Analogt med det tvådimensionella fallet (i vilket vikterna i triangelhörnen är proportionella mot respektive "motstående deltriangels" area) är vikten i respektive tetraederhörn proportionell mot volymen av dess "motstående deltetraeders" volym.

Resonemang
Betrakta tetraedern   och punkten   i figur 3. Placera all vikt i   och fördela sedan denna vikt på   och   så att   fortfarande är tyngdpunkt. Den tilldelade vikten i   fördelas sedan på hörnen i triangeln   (se ovan under två dimensioner) så att denna triangel är balanserad i   och varvid tetraedern fortfarande balanserar i  . För areorna av deltrianglarna  ,   och   gäller
 
där   betecknar vikten i hörnet  . Dessa deltrianglar utgör baserna för tetraedrar med det fjärde hörnet i  , vilka sålunda har volymer som är proportionella mot bastriangelns yta (och därmed mot vikten i det "motstående triangelhörnet"). På samma sätt är volymerna av de tre tetraedrarna med de tre deltrianglarna som basytor och det fjärde hörnet i   proportionella mot vikten i respektive "motstående hörn". Detta ger
 
 .
Det vill säga att vikterna i tetraederhörnen är proportionella mot volymerna av de "motstående deltetraedrarna", vilka har den till hörnet motstående tetraedersidan som basyta och det fjärde hörnet i   (detta gäller såklart även för   och  , vilket ju visas på samma sätt genom att utgå från ett annat hörn och dess motstående tetraedersida).
Punkten   har alltså de barycentriska koordinaterna   i förhållande till tetraedern  . De absoluta barycentriska koordinaterna för   är  , eftersom deras summa ju är lika med ett.

Fler dimensioner: Ökar vi på antalet dimensioner förfar vi på samma sätt. För fyra dimensioner balanserar vi först mellan ett hörn och skärningspunkten (för linjen genom hörnet och  ) med den till hörnet motstående tetraedern, varefter vi balanserar denna tetraeders tilldelade vikt på dess fyra hörn enligt ovan. Vi kan fortsätta att öka på med en dimension i taget på samma sätt. Detta innebär att vi för en n-dimensionell simplex   och en punkt   får

 .
Punkten   har de barycentriska koordinaterna   i förhållande till simplexen  .

Ortsvektorer och kartesiska koordinater redigera

 
Figur 4.

I figur 4 visas en triangel   och en punkt   som har de absoluta barycentriska koordinaterna  . Vi noterar att, i enlighet med endimensionella koodinater ovan,   och  . Därför har vi också att  . Om nu triangelhörnen har ortsvektorerna  ,   respektive   i förhållande till en punkt   får vi (i sista ledet utnyttjas att de absoluta koordinaternas summa är ett):

 
 

Från barycentriska till kartesiska koordinater redigera

Uttrycket för punktens ortsvektor ger direkt att, om triangelhörnen har de kartesiska koordinaterna  ,   respektive  , så är de kartesiska koordinaterna för  :

 

Speciellt märker vi att om triangelhörnen har de kartesiska koordinaterna  ,   och   så har punkten   de absoluta barycentriska koordinaterna  .

Från kartesiska till barycentriska koordinater redigera

Om vi skriver om uttrycken för punktens kartesiska koordinater och utnyttjar att   får vi två ekvationer med två obekanta:

 
 

vilka har lösningen

  och
 .
(ur vilka vi även får  )

Trilinjära koordinater redigera

Låt  ,   och   beteckna längden av de motstående sidorna till triangelhörnen. En punkt med de trilinjära koordinaterna   har då de barycentriska koordinaterna  .[10]

Omvänt har därför en punkt med de barycentriska koordinaterna   de trilinjära koodinaterna  .

De homogena barycentriska koordinaterna   motsvaras av de exakta trilinjära koordinaterna  .[8]

Bevis
 
Om   är homogena är de alltså lika med  , och omvänt är de exakta trilinjära koordinaterna  .


Barycentriska koordinater för vissa punkter redigera

Den geometriska tyngdpunkten redigera

Triangelns geometriska tyngdpunkt har barycentriska koordinater

 
Bevis
Beviset följer direkt ur att den geometriska tyngdpunkten är medianernas skärningspunkt och att medianerna delar triangeln i sex likstora trianglar.

Den inskrivna cirkelns medelpunkt redigera

Den inskrivna cirkelns medelpunkt har barycentriska koordinater som kan skrivas som

 
Bevis
Den inskrivna cirkelns medelpunkt   har samma avstånd till triangelns sidor, dess radie  . Radien är lika med deltrianglarnas höjd och de barycentriska koordinaterna är därför
 

De vidskrivna cirklarnas medelpunkter redigera

Medelpunkterna för de vidskrivna cirklarna till  ,   och   har de barycentriska koordinaterna

 ,
  respektive
 .
Bevis
Eftersom medelpunkten för den vidskrivna cirkeln, med radien  , till   har de trilinjära koordinaterna
 
har den de barycentriska koordinaterna
 
i enlighet med avsnittet om trilinjära koordinater ovan. Motsvarande gäller de båda övriga vidskrivna cirklarnas medelpunkter.

Den omskrivna cirkelns medelpunkt redigera

 
Figur 5.

Den omskrivna cirkelns medelpunkt har barycentriska koordinater som kan skrivas som

 
Bevis
Den omskrivna cirkelns medelpunkt   har samma avstånd till triangelhörnen, cirkelns radie  . Låt   vara fotpunkt åt    (figur 5). Vi har då
 
 
 
I näst sista ledet utnyttjas randvinkelsatsen. (  är ju en korda i den omskrivna cirkeln och vinkeln i medelpunkten är enligt denna sats dubbelt så stor som vinkeln i en punkt på omkretsen.)
Samma resonemang för de båda andra triangelsidorna ger oss barycentriska koordinater
 
 

Ortocentrum redigera

Ortocentrum har barycentriska koordinater som kan skrivas som

 

eller

 

Det andra uttrycket erhålls genom multiplikation med  

Bevis
Vi utnyttjar förhållandet mellan barycentriska koordinater och trilinjära koordinater (se avsnittet ovan).
Den omskrivna cirkelns medelpunkt har barycentriska koordinater (se ovan)
 
och därför trilinjära koordinater
 
Ortocentrum är isogonalkonjugat till den omskrivna cirkelns medelpunkt och dess trilinjära koordinater är därför
 
vilka motsvarar de barycentriska koordinaterna
 

Symmedianpunkten redigera

Symmedianpunkten har de barycentriska koordinaterna

 
Bevis
För beviset utnyttjar vi sambandet mellan barycentriska och trilinjära koordinater och att symmedianpunkten är isogonalkonjugat till den geometriska tyngdpunkten.
Den geometriska tyngdpunkten har barycentriska koordinater
 
vilket motsvarar de trilinjära koordinaterna
 
Symmedianpunkten har, eftersom den är isogonalkonjugat till den geometriska tyngdpunkten, de trilinjära koordinaterna
 
vilka motsvarar de barycentriska koordinaterna
 

Barycentrisk interpolation redigera

 
En Gouraud-skuggad triangel   i vilken punkternas färg (Röd, Grön, Blå) är   (där fR = 100% röd, 0% grön, 0% blå, etcetera).

För en funktion av två variabler,  , med de kända värdena  ,   och   för hörnen i triangeln   kan en linjär interpolation av värdet i en punkt   med de absoluta barycentriska koordinaterna   göras enligt  . Barycentrisk interpolation kan enkelt utsträckas till fler dimenensioner.[11] Genom att skapa ett nät av trianglar (ett så kallat "mesh"), eller simplexar av högre dimension, kan beräkningar göras för större områden (ett exempel är beräkningar av isolinjer eller värden för olika platser i ett nät av väderstationer). Mer förfinade interpolationer kan göras med polynomapproximationer i stället för linjära sådana.[12]

Barycentrisk interpolation och generaliseringar av denna till godtyckliga polygoner och polyedrar används inom flera områden, exempelvis finita elementmetoden (FEM), och speciellt noterbart är applikationer inom datorgrafik för exempelvis skuggning och animation.[13]

Se även redigera

Referenser redigera

  1. ^ Clifford A. Pickover, 2015, 250 milstolpar i matematikens historia från Pythagoras till 57:e dimensionen, sid. 222. ISBN 9789176172629
  2. ^ Weisstein, Eric W., "Barycentric Coordinates", MathWorld. (engelska)
  3. ^ August Ferdinand Möbius, 1827, Der Barycentrische Calcul, Verlag von Johann Ambosius Barth, Leipzig.
  4. ^ Marie-Nicole Gras, 2014, Distances between the circumcenter of the extouch triangle and the classical centers, Forum Geometricorum, 14, sid. 52.
  5. ^ Paul Yiu, 2013, Introduction to the Geometry of the Triangle, sid. 1. Department of Mathematics, Florida Atlantic University.
  6. ^ Med dessa tre uttryck bevisar man dessutom enkelt Cevas sats:  .
  7. ^ Paul Yiu, 2000, The uses of homogeneous barycentric coordinates in plane euclidean geometry Arkiverad 12 juni 2018 hämtat från the Wayback Machine. i "International Journal of Mathematical Education in Science and Technology" 31, sid. 570
  8. ^ [a b] Weisstein, Eric W., "Homogeneous Barycentric Coordinates", MathWorld. (engelska)
  9. ^ Weisstein, Eric W., "Areal Coordinates", MathWorld. (engelska)
  10. ^ Matthew Harvey, 2015, Geometry Illuminated: An Illustrated Introduction to Euclidean and Hyperbolic Plane Geometry, sid. 349. ISBN 9781939512116
  11. ^ Remi Munos, Andrew Moore, 1998, Barycentric Interpolators for Continuous Space & Time Reinforcement Learning i "Proceedings of the 1998 conference on Advances in neural information processing systems II", sid. 1024– 1030, Cambridge, MA, USA, 1999. MIT Press.
  12. ^ Tatiana V. Voitovich, Stefan Vandewalle, Barycentric Interpolation and Exact Integration Formulas for the Finite Volume Element Method i "Numerical analysis and applied mathematcs, AIP Conference Proceedings, 1048", (Simos, T., Psihoyios, G., Tsitouras, C. (Eds.)). International Conference on Numerical Analysis and Applied Mathematics. Kos, Grekland, 16 - 20 september 2008", sid. 575-579.
  13. ^ Michael S Floater, Jiři Kosinka, 2010, Barycentric interpolation and mappings on smooth convex domains i "Proceedings of the 14th ACM Symposium on Solid and Physical Modeling - SPM '10".