Towards the mathematical foundation of the minimum enclosing ball and related problems
University of Patras(帕特雷大学)
本文为d维欧几里得空间中的最小包围球问题构建了数学基础与理论框架,基于若干包围与划分定理,推导出集合外接半径、内切半径、直径与宽度间的界限与关系,并指出其作为基石对非欧几何发展的深刻影响。
2024-01-09 cs.AI cs.CG math.GT
A Fast Hyperplane-Based Minimum-Volume Enclosing Simplex Algorithm for Blind Hyperspectral Unmixing
高光谱解混(HU)是从观测到的高光谱场景中识别底层物质(或端元)及其相应比例(或丰度)的关键信号处理过程。Craig在20世纪90年代初提出了一个著名的盲HU准则,该准则将数据云的最小体积包围单形的顶点视为良好的端元估计,并且已经在经验和理论上被发现即使在没有纯像素的情况下也是有效的。然而,这类算法可能会遭受沉重的单形体积计算在数值优化等。在这项工作中,不涉及任何单形体积计算,利用凸几何事实,一个最简单的单形的N个顶点可以定义由N个相关的超平面,我们提出了一个快速盲HU算法,其中,与N个顶点的Craig单形相关联的N个超平面中的每一个由N-1个仿射独立数据像素构造,连同用于其性能支持的端元可识别性分析。该算法不需要进行数值优化,通过简单的线性代数计算来搜索N(N-1)个有效数据像素,提高了计算效率。蒙特卡罗模拟和真实数据实验表明,该算法在计算效率和估计精度方面都优于一些基于Craig准则的基准算法。
2015-10-29 cs.CG
Smallest k-Enclosing Rectangle Revisited
给定平面上的一组$n$点和一个参数$k$,我们考虑计算包围$k$点的最小(周长或面积)轴对齐矩形的问题。我们提出了这个问题的第一个近二次时间算法,改进了Kaplan等人[KRS 17]以前的近$O(n^{5/2})$时间算法。我们提供了一个几乎匹配的条件下界,假设$(\min,+)$卷积不能在真正的次二次时间解决。此外,我们提出了一个新的减少(无论是周长或面积),可以使时间范围敏感的$k$,给附近的$O(n k) $的时间。我们还提出了一个近似线性时间$(1+\varepsilon)$算法的最小面积的最佳矩形包含$k$点。此外,我们研究相关的问题,包括$3$边,任意定向,加权,子集和版本的问题。
2019-03-15 cs.CG
On The Heine-Borel Property and Minimum Enclosing Balls
本文证明了具有Heine-Borel性质的度量空间及固定距离方向的弱度量空间中,最小半径球问题均为LP类型,并给出了Hilbert度量下的计算原语。
2025-03-03 cs.CG math.MG
A technique for solving the polygon inclusion problems
提出 Rotate-and-Kill 技术,以 $O(n)$ 时间解决多边形包含与外接问题,包括最大面积内接三角形及最小面积/周长外接三角形,并简化或改进了现有算法。
2024-04-21 cs.CG
On implementation of the minimal perimeter triangle enclosing a convex polygon algorithm
一个高层次的描述算法,计算最小周长三角形包围一个凸多边形在线性时间存在于文献中。此外,在后续的工作中给出了算法的实现。然而,该实施是不完整的,并省略了某些常见的情况。本说明的贡献包括一个现代的治疗算法及其随之而来的简单和强大的实现。
2016-06-07 cs.CG math.MG
Minimum Enclosing Ball Synthetic Minority Oversampling Technique from a Geometric Perspective
本文从几何视角提出MEB-SMOTE方法,通过引入最小包围球构造代表性点并与现有样本插值合成高质量少数类样本,在15个真实不平衡数据集上验证了其分类性能提升效果。
2024-08-07 cs.CG cs.LG
Minimum Enclosing Ball Revisited: Stability and Sub-linear Time Algorithms
University of Science and Technology of China(中国科学技术大学)
本文在欧氏空间$\mathbb{R}^d$中重新讨论了最小包围球问题及其鲁棒版本,带离群点的最小包围球问题。虽然这个问题已经被广泛研究之前,大多数现有的算法需要至少线性时间(在输入点$n$和维数$d$的数量),以实现$(1+ε)$ -近似。受最坏情况分析之外的一些最新发展的启发,我们引入了MEB(具有离群值)稳定性的概念,这是自然的,易于理解的。粗略地说,MEB的实例是稳定的,如果结果球的半径不能通过移除一小部分输入点来显著减小。在稳定性假设下,我们提出了两种计算近似MEB的采样算法,其采样复杂度与输入点的数目无关$n$。特别地,第二算法具有甚至独立于维度$d$的样本复杂度。此外,我们扩展的想法,实现一个次线性时间近似算法的MEB与离群值问题。注意,大多数现有的次线性时间算法的问题的MEB和MEB与离群值通常会导致双标准近似,其中“双标准”意味着解决方案必须允许的半径和覆盖点的数量的近似。因此,本文提出的所有算法都产生单准则近似(相对于半径)。我们希望我们提出的稳定性和技术的概念将适用于设计其他优化问题的次线性时间算法。
2020-05-01 cs.CG cs.LG
MINVO Basis: Finding Simplexes with Minimum Volume Enclosing Polynomial Curves
Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院)
研究了在$\mathbb{R}^n$中生成包围给定$n^{\text{th}}$次多项式曲线的最小$n$ -单纯形的多项式基.虽然Bernstein和B-Spline多项式基为该问题提供了可行的解决方案,但由这些基得到的单形并不是最小的,这导致在许多CAD(计算机辅助设计)应用中结果过于保守。我们首先证明,解决这个问题的多项式基础(MINVO基础)也解决了$n^\text{th}$度多项式曲线与最大的凸包封闭在一个给定的$n$ -单纯形。然后,我们提出了一个配方,是独立的$n$ -单纯形或$n^{\text{th}}$ -度多项式曲线。通过使用平方和(SOS)规划、分支定界和矩松弛,我们得到了任意$n\in\mathbb{N}$的高质量可行解,并证明了$n=1,2,3$的(数值)全局最优性和$n=4$的(数值)局部最优性.对$n=3$得到的结果表明,对于$\mathbb{R}^3$中任意给定的$3^{\text{rd}}$次多项式曲线,MINVO基都能得到一个封闭的单纯形,其体积分别是Bernstein基和B样条基的$2.36$和$254.9$倍.当使用$n=7$时,这些比值分别增加至$902.7$和$2.997\cdot10^{21}$。
2022-09-26 cs.CG cs.GR cs.RO
Coresets for Minimum Enclosing Balls over Sliding Windows
National University of Singapore(新加坡国立大学);Singapore Management University(新加坡管理大学)
\emph{Coresets}是生成用于近似分析的大量数据集的简明摘要的重要工具。核心集是从原始点集提取的点的一个小子集,使得某些几何属性被保留有可证明的保证。本文研究的问题,保持coreset保持最小封闭球(MEB)的滑动窗口的点,在数据流中不断更新。虽然这个问题已经在批处理和仅附加流设置中得到了广泛的研究,但还没有有效的滑动窗口解决方案。在这项工作中,我们首先介绍了一种算法,称为AOMEB,建立一个核心的MEB在一个只附加流。AOMEB算法在保持近似比不变的情况下,提高了现有算法的实际性能。此外,使用AOMEB作为一个积木,我们提出了两个新的算法,即SWMEB和SWMEB+,保持coresets的MEB在滑动窗口具有恒定的近似比。所提出的算法还支持在再生核希尔伯特空间(RKHS)的MEB coresets。最后,在真实世界和合成数据集上进行的大量实验表明,SWMEB和SWMEB+在最先进的批处理算法上实现了高达四个数量级的加速,同时为MEB提供了与最佳算法相比误差相当小的核心集。
2019-05-10 cs.CG cs.DS cs.LG
Sweeping an oval to a vanishing point
给定平面上的一个凸区域,以扫描线为工具,通过一系列扫描将该区域缩小为一个点的最佳方法是什么?文献[2]首次研究了正交扫描点的扫描问题。在这里,我们考虑最近在[1]中引入的扫描的以下\emph{slanted}变体:在单次扫描中,扫描线被放置在平面中某处的起始位置,然后根据扫描矢量$\vec v$(不一定与扫描线正交)连续移动到另一个平行的结束位置,然后从平面提起。扫描序列的成本是扫描向量的长度之和。区域的(最优)扫描成本是该区域的所有有限扫描序列上的成本的下确界。一个区域的最佳扫描序列是一个最小的总成本,如果它存在。另一个感兴趣的参数是扫描次数。我们发现,存在凸区域的最佳扫描成本不能达到两次扫描。这反驳了Bousany,Karker,O 'Rourke和Sparaco的猜想,即两次扫描(沿着最小周长包围的两个相邻边的向量)总是足够的[1]。此外,我们推测,对于某些凸区域,没有有限的扫描序列是最佳的。另一方面,我们证明了基于最小周长外接矩形的2-sweep算法和基于最小周长外接矩形的2-sweep算法在该扫描模型下都达到了$4/π\approx 1.27$近似。
2011-01-24 cs.CG
Minimum Convex Partitions and Maximum Empty Polytopes
令$S$是$\mathbb{R}^d$中的$n$点的集合。Steiner凸划分是具有空凸体的${\rm conv}(S)$的平铺。对于每一个整数$d$,我们表明,$S$承认Steiner凸分区与最多$\lceil (n-1)/d\rceil$瓦片。对于平面上一般位置的点,这个界限是最好的,并且除了在每个固定维度$d\geq 3$中的常数因子之外,它是最好的。给出了平面点集在一般位置上的最小Steiner凸划分的第一个常数因子近似算法。建立单位立方体中任意$n$点的Steiner凸划分中瓦片的最大体积的紧下界等价于Danzer和Rogers的一个著名问题。据证实,最大瓦片的体积是$ω(1/n)$。本文给出了计算$d$维单位盒$[0,1]^d$中$n$个给定点中空凸体的最大体积的$(1-\varepsilon)$ -近似算法.
2014-02-03 cs.CG
Minimum spanning blob-trees
本文提出blob树这一连接点集的新方法,结合环包围与边连接方式,并证明n个点的最小代价blob树可在O(n^3)时间内计算。
2025-03-04 cs.CG
Approximation Algorithms for Smallest Intersecting Balls
针对高维空间中紧致凸对象的最小相交球及其软间隔变体,提出基于对称锥零和博弈框架的通用近似算法,适用于多种几何对象,为首批高维近似方法且实验高效。
2025-05-26 cs.CG cs.DS
Enclosing Points with Geometric Objects
研究用给定几何对象的最小子集包围平面点集的问题,提出基于稀疏化/最小割与 LP 舍入的两类多项式时间近似框架,并给出单位圆盘、单位正方形、线段和圆盘的近似比。
2024-03-01 cs.CG cs.DS
Efficient Approximations for the Online Dispersion Problem
色散问题在计算几何和设施选址中得到了广泛的研究,并且与布局问题密切相关。目标是定位n个点(例如,设施或人),使得它们彼此远离并且远离多面体的边界。然而,在许多现实世界的场景中,这些点在不同的时间到达和离开,并且必须在不知道未来事件的情况下做出决策。因此,我们在文献中首次研究了欧几里得空间中的在线分散问题。当涉及时间时,有两个自然目标:全时最坏情况(ATWC)问题试图最大化在任何时间出现的最小距离;累积距离(CD)问题试图最大化整个时间间隔内的最小距离的积分。有趣的是,即使在一个细分市场上,在线问题也非常重要。对于累积距离,即使问题是时间相关的但离线的,所有的到达和离开时间都是提前给定的,情况也是如此。对于分段上的在线ATWC问题,我们构造了一个确定性的多项式时间算法,该算法是(2ln 2 + n)-竞争的,其中n>0可以是任意小的,算法的运行时间是1/n的多项式.我们证明了这个算法实际上是最优的。对于正方形中的相同问题,我们提供了1.591-竞争算法和1.183下界。此外,对于任意k维多面体,当k>=2时,我们给出了一个2/(1-n)-竞争算法和一个7/6下界。有趣的是,对于任意k维多面体的离线CD问题,我们提供了一个多项式时间的黑盒减少在线ATWC问题,由此产生的竞争比增加了一个因素,最多2。
2017-04-22 cs.CG
Local Routing on a Convex Polytope in R^3
Indian Institute of Technology Guwahati(印度理工学院古瓦哈提分校)
针对R^3中n个顶点的凸多面体P,提出预处理算法为每个顶点构建路由表,实现从任意源顶点到目标顶点的局部路由,路径长度在(8+ε)/sinθ_m倍最短距离内。
2026-06-16 cs.CG
An Efficient Algorithm for the Proximity Connected Two Center Problem
给定平面上的一组$P$的$n$点,$k$ -中心问题是寻找具有最小可能半径的$k$全等圆盘,使得它们的并集覆盖$P$中的所有点. $2$ -中心问题是$k$ -中心问题的一个特例,在最近的\cite{CAHN,HT,SH}中已经得到了广泛的研究.在本文中,我们考虑$2$ -中心问题的一个广义版本,称为\textit{proximity connected} $2$ -中心(PCTC)问题。在这个问题中,我们还给定了一个参数$δ\geq 0$,并且我们有一个附加的约束,即圆盘中心之间的距离最多应该是$δ$。请注意,当$δ=0$时,PCTC问题被简化为$1$ -中心(最小包围盘)问题,当$δ$趋于无穷大时,它被简化为$2$ -中心问题. PCTC问题首次出现在1992年\cite{ACN0}的无线网络的背景下,但获得一个非平凡的确定性算法的问题仍然开放。在本文中,我们解决了这个开放的问题,提供了一个确定性的$O(n^2\log n)$时间算法的问题。
2022-04-19 cs.CG
The 2-Center Problem in Three Dimensions
设P是R^3中的n个点的集合。P的2-中心问题是寻找两个最小半径的全等球,它们的并集覆盖P.我们提出了两个计算P的2-中心的随机算法.第一个算法在O(n^3 log^5 n)预期时间,第二个算法运行时间为O((n^2 log^5 n)/(1-r*/r_0)^3)期望时间,其中r* 是P的2-中心球的半径,r_0是P的最小包围球的半径。只要r* 不太接近r_0,这等价于两个覆盖球的中心彼此不太接近的条件。
2010-12-13 cs.CG
Approximate Cech Complexes in Low and High Dimensions
切赫复形揭示了关于任意维度上一定尺度的点集的有价值的拓扑信息,但这些复形的庞大规模限制了它们的实际影响。虽然最近的工作介绍了过滤(Vietoris-)Rips复合物,一个粗糙的版本的Čech复合物的近似技术,我们提出的近似直接的Čech过滤。对于固定维点集$S$,我们给出了$S$的Čech滤子的一个近似,它是由一列大小与点数成线性关系的复形构成的.我们将良好分离对分解(WSPD)推广到良好分离单纯分解(WSSD),其中定义在$S$上的每个单纯形都被WSSD的某个元素覆盖。我们给出了一个有效的算法来计算一个线性大小的WSSD在固定的维空间。利用WSSD,我们提出了一个线性尺寸的近似过滤的$S$的Čech复合物。我们还提出了一个推广的已知事实,即里普斯复杂的近似的Čech复杂的一个因素的$\sqrt{2}$。我们定义了一类复合物,插值之间的Čech和RIP复合物,并给予任何参数$\eps > 0$,近似的Čech复合物的一个因素$(1+\eps)$。我们的复形可以用大致的$O(n^{\lceil 1/2\eps\rceil})$单纯形来表示,而对点集的环境维数没有任何隐藏的依赖性。我们的结果是基于一个有趣的联系之间的Čech复杂和coresets的最小封闭球的高维点集。作为我们的分析的结果,我们改进的边界coresets近似的最小封闭球的半径。
2013-07-11 cs.CG math.AT
Computing Shapley values in the plane
我们考虑的问题计算Shapley值的点在平面上,其中每个点被解释为一个球员,和联盟的价值是由通常的几何对象,如凸包或最小轴平行限界框的面积定义。对于平面上的$n$点集,我们展示了如何在大约$O(n^{3/2})$时间内计算最小轴平行限界框的面积和原点和输入点所跨越的矩形的联合面积的Shapley值。当点形成递增链或递减链时,运行时间可以改善到接近线性。在所有这些情况下,我们使用Shapley值的线性和代数方法。我们还表明,Shapley值的面积和周长的凸包或最小封闭磁盘可以计算在$O(n^2)$和$O(n^3)$时间,分别。在这种情况下的计算是密切相关的随机点集模型考虑在计算几何,但在这里我们必须考虑随机插入顺序的点,而不是一个概率存在的点。
2018-11-28 cs.CG cs.GT