Changing representation of curves and surfaces: exact and approximate methods

Abstract

The main object of study in our dissertation is the representation change of the geometric objects from the parametric form to implicit. We compute the implicit equation interpolating the unknown coefficients of the implicit polynomial given a superset of its monomials. The latter is derived from the Newton polytope of the implicit equation obtained by the recently developed method for support prediction. The support prediction method we use relies on sparse (or toric) elimination: the implicit polytope is obtained from the Newton polytope of the sparse resultant of the system in parametrization, represented as polynomials.The monomials that correspond to the lattice points of the Newton polytope are suitably evaluated to build a numeric matrix, ideally of corank 1. Its kernel contains their coefficients in the implicit equation.We compute kernel of the matrix either symbolically, or numerically, applying singular value decomposition (SVD).We propose techniques for handling the case of the multidimensional kernel space, caused by the predicted support being a superset of the actual. This yields an efficient, output-sensitive algorithm for computing the implicit equation. We compare different approaches for constructing the matrix in Maple and SAGE software. In our experiments we have used classical algebraic curves and surfaces as well as NURBS. Our method can be applied to polynomial or rational parametrizations of planar curves or (hyper)surfaces of any dimension including cases of parameterizations with base points which raise important issues for other implicitization methods.The method has its limits: geometric objects have to be presented using monomial basis; in the case of trigonometric parametrizations they have to be convertible to rational functions.Moreover, the proposed technique can be applied for non-geometric problems such as the computation of the discriminant of a multivariate polynomial or the resultant of a system of multivariate polynomials.

Το κύριο αντικείμενο μελέτης στην παρούσα διατριβή είναι η αλλαγή αναπαράστασης γεωμετρικών αντικειμένων από παραμετρική σε αλγεβρική (ή πεπλεγμένη) μορφή. Υπολογίζουμε την αλγεβρική εξίσωση παρεμβάλλοντας τους άγνωστους συντελεστές του πολυωνύμου δεδομένου ενός υπερσυνόλου των μονωνύμων του. Το τελευταίο υπολογίζεται απο το πολύτοπο Νεύτωνα της αλγεβρικής εξίσωσης που υπολογίζεται από μια πρόσφατη μέθοδο πρόβλεψης του συνόλου στήριξης της εξίσωσης. H μέθοδος πρόβλεψης του συνόλου στήριξης βασίζεται στην αραιή (ή τορική) απαλοιφή: το πολύτοπο υπολογίζεται από το πολύτοπο Νεύτωνα της αραιής απαλοίφουσας αν θεωρίσουμε την παραμετροποίηση ως πολυωνυμικό σύστημα. Στα μονώνυμα που αντιστοιχούν στα ακέραια σημεία του πολυτόπου Νεύτωνα δίνονται τιμές ώστε να σχηματίσουν έναν αριθμητικό πίνακα. Ο πυρήνας του πίνακα αυτού, διάστασης 1 σε ιδανική περίπτωση, περιέχει τους συντελεστές των μονωνύμων στην αλγεβρική εξίσωση. Υπολογίζουμε τον πυρήνα του πίνακα είτε συμβολικά είτε αριθμητικά εφαρμόζοντας την μέθοδο του singular value decomposition (SVD). Προτείνουμε τεχνικές για να διαχειριστούμε την περίπτωση ενός πολυδιάστατου πυρήνα το οποίο εμφανίζεται όταν το προβλεπόμενο σύνολο στήριξης είναι ένα υπερσύνολο του πραγματικού. Αυτό δίνει έναν αποτελεσματικό ευαίσθητο εξόδου αλγόριθμο υπολογισμού της αλγεβρικής εξίσωσης. Συγκρίνουμε διαφορετικές προσεγγίσεις κατασκευής του πίνακα μέσω των λογισμικών Maple και SAGE. Στα πειράματά μας χρησιμοποιήθηκαν ρητές καμπύλες και επιφάνειες καθώς και NURBS. Η μέθοδός μας μπορεί να εφαρμοστεί σε πολυώνυμα ή ρητές παραμετροποιήσεις επίπεδων καμπυλών ή (υπερ)επιφανειών οποιασδήποτε διάστασης συμπεριλαμβανομένων και των περιπτώσεων με παραμετροποίηση με σημεία βάσης που εγείρουν σημαντικά ζητήματα για άλλες μεθόδους αλγεβρικοποίησης. Η μέθοδος έχει τον εξής περιορισμό: τα γεωμετρικά αντικείμενα πρέπει να αναπαριστώνται από βάσεις μονωνύμων που στην περίπτωση τριγωνομετρικών παραμετροποιήσεων θα πρέπει να μπορούν να μετασχηματιστούν σε ρητές συναρτήσεις. Επιπλέον η τεχνική που προτείνουμε μπορεί να εφαρμοστεί σε μη γεωμετρικά προβλήματα όπως ο υπολογισμός της διακρίνουσας ενός πολυωνύμου με πολλές μεταβλητές ή της απαλοίφουσας ενός συστήματος πολυωνύμων με πολλές μεταβλητές.