数学 —— 计算几何 —— 平面分割问题
【直线分平面问题】
问题:n条直线,最多可以把平面分为多少个区域。
解:当有n-1条直线时,平面最多被分成了f(n-1)个区域。则第n条直线要是切成的区域数最多,就必须与每条直线相交且不能有同一交点。 这样就会得到n-1个交点。这些交点将第n条直线分为2条射线和n-2条线段。而每条射线和线段将以有的区域一分为二。这样就多出了2+(n-2)个区域。
如图:第四条红色的线与其他3条线生成了3个交点,生成了两条射线两条线段,这两条射线两条线段将下面的区域被分成了四份,即多出了四个区域。
故:f(n)=f(n-1)+n
=f(n-2)+(n-1)+n
……
=f(1)+1+2+……+n
=n(n+1)/2+1
递推公式:f(n)=n(n+1)/2+1
【折线分平面问题】
问题:n条折线,最多可以把平面分为多少个区域。
解:根据直线分平面可知,由交点决定了射线和线段的条数,进而决定了新增的区域数。当n-1条折线时,区域数为f(n-1)。为了使增加的区域最多,则折线的两边的线段要和n-1条折线的边,即2*(n-1)条线段相交。那么新增的线段数为4*(n-1),射线数为2。但要注意的是,折线本身相邻的两线段只能增加一个区域。
如图,红色的折线代表新画的折线,由于这是第二条折线,那么原来就有(2-1)2条线段,红色的折线应和这(2-1)2条折线都相交,生成的是4(2-1)个交点,其中,两条射线,4(2-1)条线段,多出来的区域便为4(2-1)+2,其中折线本身相邻的两线段只能增加一个区域,故还应该减去一。
故:f(n)=f(n-1)+4(n-1)+2-1
=f(n-1)+4(n-1)+1
=f(n-2)+4(n-2)+4(n-1)+2
……
=f(1)+4+4*2+……+4(n-1)+(n-1)
=2n^2-n+1
递推公式:f(n)=2n^2-n+1
【封闭曲线分平面问题】
问题:n条封闭曲线,任何两条封闭曲线恰好相交于两点,且任何三条封闭曲线不相交于同一点,问这些封闭曲线把平面分割成的区域个数。
解:当n-1个圆时,区域数为f(n-1).那么第n个圆就必须与前n-1个圆相交,则第n个圆被分为2(n-1)段线段,增加了2(n-1)个区域。
如图:红色的圆是第三个圆,在此之前有两个,和之前那两个生成的交点有2×2个,多出来的区域就也为2×2个。
故: f(n)=f(n-1)+2(n-1)
=f(n-2)+2(n-2)+2(n-1)
......
=f(1)+2+4+……+2(n-1)
=n^2-n+2
递推公式:f(n)=n^2-n+2
【平面分割空间问题】
问题:n个平面,最多可以把空间分为多少个区域。
解:由二维的分割问题可知,平面分割与线之间的交点有关,即交点决定射线和线段的条数,从而决定新增的区域数。试想在三维中则是否与平面的交线有关?当有n-1个平面时,分割的空间数为f(n-1)。要有最多的空间数,则第n个平面需与前n-1个平面相交,且不能有共同的交线。即最多有n-1条交线。而这n-1条交线把第n个平面最多分割成g(n-1)个区域。(g(n)为n条直线分平面的个数 )此平面将原有的空间一分为二,则最多增加g(n-1)个空间。
故:f(n)=f(n-1)+g(n-1)
=f(n-2)+g(n-2)+g(n-1)
……
=f(1)+g(1)+g(2)+……+g(n-1)
=2+(1*2+2*3+3*4+……+(n-1)n)/2+(n-1)
=(1+2^2+3^2+4^2+……+n^2-1-2-3-……-n )/2+n+1
=(n^3+5n)/6+1
PS:g(n)=n(n+1)/2+1
递推公式:f(n)=(n^3+5n)/6+1
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