The Computation of the Volume of the Union of Polytopes via a Sweep-Plane Algorithm

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:0297-zib-71829
  • Das Thema dieser Arbeit ist ein Volumen-Algorithmus für die Vereinigung von Polytopen. Der Algorithmus basiert auf der Arbeit von Bieri und Nef. Er berechnet das Volumen der Vereinigung von Polytopen mit einem Sweep-Verfahren. Dabei wird eine Hyperebene im Raum verschoben und das Volumen auf der einen Seite der Hyperebene berechnet. Umso weiter die Hyperebene verschobe wird, desto größer ist auch der Halbraum. Unser Algorithmus berechnet das Volumen einer Vereinigung von Polytopen geschnitten mit dem Halbraum der Sweep-Ebene als eine Funktion abhängig von der Veschiebung. Ab einem gewissen Punkt liegt der Körper dabei komplett im Halbraum der Sweep-Ebene und das Volumen bleibt konstant. Unser Algorithmus unterscheidet sich in zwei Punkten von dem Algorithmus von Bieri und Nef. Erstens funktioniert er nur auf der Vereinigung von Polytopen, wohingegen der Algorithmus von Bieri und Nef für Nef-Polyeder funktioniert. Diese sind eine Verallgemeinerung von Polyedern, die auch die Klasse der Vereinigung von Polytopen umfasst. Für uns ist das allerdings kein Nachteil, da unsere Datensätze zu Vereinigungen von Polytopen führen. Zweitens ist unser Algorithmus in zwei Teile aufgeteilt. Im ersten Teil wird eine Datenstruktur entwickelt, aus der im zweiten Teil zusammen mit einer Richtung die Sweep-Ebenen-Volumenfunktion berechnet wird. Der Großteil der Komplexität liegt im ersten Teil des Algorithmus. Das hat den Vorteil, dass wir die Volumenfunktionen für viele verschiedene Richtungen berechnen können. So können Einblicke in die Struktur des Körpers gewonnen werden. Der Algorithmus beruht auf zwei verschiedenen Zerlegungsansätzen. Zuerst können wir mit Hilfe von Anordnungen von Hyperebenen eine Vereinigung von Polytopen in ihre Zellen zerlegen. Dabei berufen wir uns auf die Arbeit von Gerstner und Holtz, in der das Konzept der Positionsvektoren eingeführt wird. Diese nutzen wir um die Ecken und ihre benachbarten Zellen zu bestimmen. So erhalten wir eine Zerlegung unserer Vereinigung in Zellen, deren paarweise Schnitte kein Volumen haben. Das zweite Zerlegungskonzept ist die konische Zerlegung, wie sie von Lawrence eingeführt wurde. Mit Hilfe dieser können wir die Indikatorfunktion eines Polytops als die Summe der Indikatorfunktionen seiner Vorwärtskegel schreiben. Die Sweep-Ebenen Volumenfunktionen können dann leicht mit Hilfe einer altbekannten Formel für das Volumen von Simplices berechnet werden.

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Metadaten
Author:Lovis AndersonORCiD
Document Type:Master's Thesis
MSC-Classification:52-XX CONVEX AND DISCRETE GEOMETRY
CCS-Classification:G. Mathematics of Computing
Granting Institution:Technische Universität Berlin
Advisor:Thorsten Koch
Date of final exam:2018/01/15
Year of first publication:2018
Pagenumber:52