]> git.rustad.me Git - master/commitdiff
THEOREMS
authorBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Fri, 24 Oct 2014 14:55:01 +0000 (16:55 +0200)
committerBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Fri, 24 Oct 2014 14:55:01 +0000 (16:55 +0200)
theory.tex

index fbd2aa7c275cb8f89c8d2a582436e537241dac3b..104068df37c579764017aac42fdc4161aca9162a 100644 (file)
@@ -335,155 +335,230 @@ We are now left with finding $u \in BV(\Omega)$ that minimizes
 
 If we parametrize straight lines as shown in Figure \fixme{ref}, we can
 define the set of all staight lines as $\mathcal{L} = \{ (\phi, \rho) :
-\phi \in [0, 2\pi), \rho \geq 0 \}$. By defining the Lebesgue measure on
-this set $d\mathcal{L} = \dpdr$ we are ready to introduce the
+\phi \in [0, 2\pi), \rho \geq 0 \}$. We will write a line $l_{\phi,
+\rho} = l_{\nu, \rho}$ where $\nu$ is a unit vector along the line,
+i.e.\ $\nu = (\sin \phi, -\cos \phi)^T$. By defining the
+measure on this set $d\mathcal{L} = \dpdr$ we are ready to introduce the
 Cauchy--Crofton formula, which gives us a way to calculate the length of
 a curve by looking at the measure of the set of lines that intersect the
 curve. Note that the measure $d\mathcal{L}$ is invariant under rigid
 motions, meaning combinations of translations and rotations.
 \begin{theorem}[The Euclidean Cauchy--Crofton formula]
-    Given a curve $C$ in $\mathbb{R}^2$, the length of this curve
-    $\abs{C}$ is related to the set of lines $\mathcal{L}$ as follows
+    Given a curve differentiable $C$ in $\mathbb{R}^2$, the length of
+    this curve $\abs{C}$ is related to the set of lines $\mathcal{L}$ as
+    follows
     \begin{equation}
-        \int_\mathcal{L} n(L \cap C) \, d\mathcal{L}(L) = 2 \abs{C},
+        \int_\mathcal{L} \#(l_{\phi, \rho} \cap C) \,
+        d\mathcal{L}(l_{\phi, \rho}) = 2 \abs{C},
     \end{equation}
-    where $n(L \cap C)$ is the number of times the line $L$ intersects
-    with the curve $C$.
+    where $\#(l_{\phi, \rho} \cap C)$ is the number of times the line
+    $l_{\phi, \rho}$ intersects the curve $C$.
 \end{theorem}
 This elegant formula is very useful when we later will discretize our
 energy function. The set of lines $\mathcal{L}$ is then discretized
 depending on our choice of neighborhood, and the length of the curve $C$
 can be approximated by a sum.
 
+Our space is equipped with a metric tensor $M(p)$ such that the inner
+product of two vectors in a point $p$ is calculated as $\langle a,
+b\rangle_M = \langle a, M(p) b \rangle$. The length of a curve $\gamma$
+parametrized by some parameter $t$ then becomes
+\begin{equation}
+    \abs{\gamma}_M = \int_\gamma \langle \dot{\gamma},
+    M\big(\gamma(t)\big) \, \dot{\gamma} \rangle \, dt
+\end{equation}
+We will now prove a Cauchy--Crofton formula in this case where we have a
+metric tensor in each point.
 \begin{theorem}[The Riemannian Cauchy--Crofton formula]
-    In the case of a Riemannian geometry, where the scalar product in
-    each point depends on a metric tensor $M(p)$ varying continuously over
-    our space, the Cauchy--Crofton formula becomes
+    In the case where the scalar product in each point depends on a
+    metric tensor $M(x)$ varying continuously over our space, the
+    Cauchy--Crofton formula becomes
     \begin{equation}
-        \abs{C}_R = \int_\mathcal{L} n(L \cap C) \, \frac{\det
-        M(p)}{2 \left( u_L^T \cdot M(p) \cdot u_L \right)} \,
-        d\mathcal{L}(L).
+        \abs{C}_M = \int_\mathcal{L} \sum_{p \in l_{\nu, \rho} \cap C}
+        \, \frac{\det M(x)}{2 \left( \nu^T \cdot M(x) \cdot \nu \right)}
+        \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}).
     \end{equation}
-    Here, $u_L$ is a unit vector in the point $p$ along the line
-    currently being integrated over.
 \end{theorem}
 \begin{proof}
     Assume first that our space is equipped with at constant metric
-    tensor $M$. The length of our curve using this Riemannian metric can
-    then be calculated by transforming the curve back into euclidean
-    space and applying the Euclidean Cauchy--Crofton formula
+    tensor $M$. The length of our curve using this tensor can be
+    calculated by transforming the curve and applying the Euclidean
+    Cauchy--Crofton formula
     \begin{align}
-        \abs{C}_M &= \abs{M^{\sfrac{1}{2}}C} \\
-                  &= \int n(L \cap M^{\sfrac{1}{2}}C) \,
-        d\mathcal{L}(L) \\
-                  &= \int n(M^{-\sfrac{1}{2}}L \cap C) \,
-        d\mathcal{L}(L) \\
-                  &= \int n(P \cap C) \abs{J(\Mhalf)}\,
-        d\mathcal{L}(P)
+        \abs{C}_M &= \int_C \sqrt{\langle \dot{C}, M \, \dot{C} \rangle} \, dt
+        = \int_C \sqrt{\langle \Mhalf \dot{C}, \Mhalf
+        \dot{C} \rangle} = \abs{M^{\sfrac{1}{2}}C} \\
+        &= \int_\mathcal{L} \#(l_{\phi, \rho} \cap M^{\sfrac{1}{2}}C) \,
+        d\mathcal{L}(l_{\phi, \rho}) \\
+        &= \int_\mathcal{L} \#(M^{-\sfrac{1}{2}}l_{\phi, \rho} \cap C) \,
+        d\mathcal{L}(l_{\phi, \rho}) \\
+        &= \int_\mathcal{L} \#(m_{\phi, \rho} \cap C) \abs{J_M(l_{\phi, \rho})}\,
+        d\mathcal{L}(m_{\phi, \rho})
     \end{align}
-    where $J(M^{\sfrac{1}{2}})$ is the Jacobian of our coordinate
-    transformation $P = M^{-\sfrac{1}{2}} L$, which is what we need to
-    find next.
+    where $J_M(l_{\phi, \rho})$ is the Jacobian of our coordinate
+    transformation $F : \mathcal{L} \to \mathcal{L}$, which maps
+    $l_{\phi, \rho} \mapsto \Mhalf l_{\phi, \rho}$.
 
     As $M\in \mathbb{R}^{2\times2}$ is symmetric, so is
-    $M^{\sfrac{1}{2}}$, and it emits an eigendecomposition $\Mhalf
-    = U\Lambda U^T$ where the components correspond to the following
+    $M^{\sfrac{1}{2}}$, and it admits an eigendecomposition $\Mhalf
+    = U\Sigma U^T$ where the components correspond to the following
     coordinate transformations
     \begin{align}
-        U(\alpha,\rho) &= (\alpha + \xi, \rho), \\
-        U^T(\alpha,\rho) &= (\alpha - \xi, \rho), \\
-        \Lambda &= \begin{pmatrix}
+        %U(\phi,\rho) &= (\phi + \xi, \rho), \\
+        %U^T(\phi,\rho) &= (\phi - \xi, \rho), \\
+        U(l_{\nu,\rho}) &= l_{\phi + \xi, \rho} = l_{U\nu, \rho} \\
+        U^T(l_{\nu,\rho}) &= l_{\phi - \xi, \rho} = l_{U^T\nu, \rho} \\
+        \Sigma &= \begin{pmatrix}
             \sigma_1 & 0 \\
             0 & \sigma_2
         \end{pmatrix}.
     \end{align}
     As $U$ and $U^T$ correspond to rotations they do not contribute to
-    the Jacobian, except for changing the input angle of the $\Lambda$
-    operator. Given a line
+    the Jacobian, except for changing the input angle of the operator
+    $\Lambda$ such that $J_M(l_{\phi, \rho}) = J_{\Sigma^2}(U^T l_{\phi,
+    \rho})$. Given a line
     \begin{equation}
-        L_{\alpha, \rho} = \begin{pmatrix}
-            \rho\cdot \cos \alpha \\
-            \rho\cdot \sin \alpha
+        l_{\phi, \rho} = \begin{pmatrix}
+            \rho\cdot \cos \phi \\
+            \rho\cdot \sin \phi
         \end{pmatrix}
         + \mathbb{R} \begin{pmatrix}
-            -\sin \alpha \\
-            \cos \alpha
+            -\sin \phi \\
+            \cos \phi
         \end{pmatrix},
     \end{equation}
-    the $\Lambda$ operator transforms it into
+    the operator $\Sigma$ transforms it into
     \begin{equation}
-        \Lambda L_{\alpha, \rho} = \begin{pmatrix}
-            \sigma_1 \rho\cdot \cos \alpha \\
-            \sigma_2 \rho\cdot \sin \alpha
+        \Sigma l_{\phi, \rho} = \begin{pmatrix}
+            \sigma_1 \rho\cdot \cos \phi \\
+            \sigma_2 \rho\cdot \sin \phi
         \end{pmatrix}
         + \mathbb{R} \begin{pmatrix}
-            -\sigma_1 \sin \alpha \\
-            \sigma_2 \cos \alpha
+            -\sigma_1 \sin \phi \\
+            \sigma_2 \cos \phi
         \end{pmatrix},
     \end{equation}
-    which is has parameters
+    which is the line $l_{\theta, \eta}$ with
     \begin{align}
-        \beta &= \arctan \left( \frac{\sigma_1}{\sigma_2} \tan \alpha
+        \theta &= \arctan \left( \frac{\sigma_1}{\sigma_2} \tan \phi
         \right) \\
-        \nu &= \left\langle \begin{pmatrix}
-            \sigma_1 \rho\cdot \cos \alpha \\
-            \sigma_2 \rho\cdot \sin \alpha
+        \eta &= \left\langle \begin{pmatrix}
+            \sigma_1 \rho\cdot \cos \phi \\
+            \sigma_2 \rho\cdot \sin \phi
         \end{pmatrix}, \begin{pmatrix}
-            \cos \beta \\
-            \sin \beta
+            \cos \theta \\
+            \sin \theta
         \end{pmatrix}
-        \right\rangle.
+        \right\rangle = \sigma_1 \rho \cdot \cos \phi \cdot \cos \theta
+        + \sigma_2 \rho \cdot \sin \phi \cdot \sin \theta.
     \end{align}
-    As $\partial_\rho \beta = 0$, the Jacobian becomes
-    $\abs{J} = \partial_\alpha\beta \cdot \partial_\rho \nu$. Differentiation
-    yields
+    As $\partial_\rho \theta = 0$, the Jacobian becomes
+    $\abs{J_{\Sigma^2}(l_{\phi, \rho})} = \partial_\phi\theta \cdot
+    \partial_\rho \eta$. Differentiation yields
     \begin{align}
-        \partial_\alpha \beta &= \frac{ \frac{\sigma_1}{\sigma_2}
-        \sec^2 \alpha}{1 + \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}
-        \tan^2 \alpha}, \\
-        \partial_\rho \nu &= \sigma_1 \cos \alpha \cdot \cos \beta + \sigma_2
-        \sin \alpha \cdot \sin \beta
-        = \frac{\sigma_1 \cos \alpha \left( 1 + \tan^2 \alpha \right)
-        }{\sqrt{1 + \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \tan^2 \alpha}}
+        \partial_\phi \theta &= \frac{ \frac{\sigma_1}{\sigma_2}
+        \sec^2 \phi}{1 + \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}
+        \tan^2 \phi}
+        = \frac{\sigma_1 \sigma_2}{\sigma_1^2 \sin^2 \phi + \sigma_2^2
+        \cos^2 \phi}, \\
+        \partial_\rho \eta &= \sigma_1 \cos \phi \cdot \cos \theta +
+        \sigma_2 \sin \phi \cdot \sin \theta.
     \end{align}
-    and assuming that $v = (v_x, v_y)^T$ is a unit vector along the line
-    parametrized by the angle $\alpha$ we obtain
+    In the expression for $\partial_\rho \eta$ we use that $\sin
+    (\arctan( x )) = x / \sqrt{1 + x^2}$ and that $\cos ( \arctan ( x ))
+    = 1 / \sqrt{1 + x^2}$ to obtain
+    \begin{equation}
+        \partial_\rho \eta = \frac{\sigma_1 \cos \phi + \sigma_2 \sin
+        \phi \, \frac{\sigma_1}{\sigma_2} \tan \phi}
+        {\sqrt{1 + \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2}
+        \tan^2 \phi}}
+        = \frac{\sigma_1 \sigma_2 \cos^2 \phi + \sigma_1 \sigma_2
+        \sin^2 \phi}{\sqrt{\sigma_1^2 \sin^2 \phi + \sigma_2^2
+        \cos^2 \phi}}.
+    \end{equation}
+    If $\nu = (\nu_x, \nu_y)^T$ is a unit vector along the line
+    $l_{\phi, \rho} = l_{\nu, \rho}$ then
+    \begin{equation}
+        \abs{J_{\Sigma^2}(l_{\nu, \rho})}
+        = \frac{\sigma_1^2 \sigma_2^2}
+        {\left(\sigma_1^2 \sin^2 \phi + \sigma_2^2 \cos^2 \phi
+        \right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        = \frac{\sigma_1^2 \sigma_2^2 
+        }{\left(\sigma_1^2 \nu_x^2 + \sigma_2^2
+        \nu_y^2\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        = \frac{\det \Sigma^2}{(\nu^T \, \Sigma^2 \,
+        \nu)^{\sfrac{3}{2}}}.
+    \end{equation}
+    We are interested in the Jacobian of the whole transformation, so
+    all that is left to do is insert $U^T l_{\nu, \rho}$ to obtain
+    \begin{equation}
+        \abs{J_M(l_{\nu, \rho})} = \abs{J_{\Sigma^2}(U^T l_{\nu, \rho})}
+        = \frac{\det M}{\left(\nu^T U \Sigma^2 U^T \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        = \frac{\det M}{\left(\nu^T M \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+    \end{equation}
+    We have now proven that for a constant metric tensor $M$, the length
+    of the differentiable curve $C$ with regards to this tensor can be
+    calculated as
     \begin{equation}
-        \abs{J} = \frac{\frac{\sigma_1}{\sigma_2} \cdot \sigma_1 \left(
-        1 + \tan^2 \alpha \right)^{\sfrac{3}{2}}}{\left( 1 +
-                \frac{\sigma_1^2}{\sigma_2^2} \tan^2
-        \alpha \right)^{\sfrac{3}{2}}}
-        = \frac{\sigma_1^2 \sigma_2^2 \left( v_x^2 +
-        v_y^2\right)^{\sfrac{3}{2}}}{\left(\sigma_1^2 v_x^2 + \sigma_2^2
-        v_y^2\right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+        \abs{C}_M = \int_C \langle \dot{C}, M \dot{C} \rangle \, dt
+        = \int_\mathcal{L} \# (l_{\nu, \rho} \cap C)
+        \frac{\det M}{\left(\nu^T M \nu \right)^{\sfrac{3}{2}}} \,
+        d\mathcal{L} (l_{\nu, \rho})
     \end{equation}
-    The angle of the line that $\Lambda$ takes as input has already been
-    rotated by the $U^T$ operator, such that if $u$ is a unit vector
-    along the line being integrated over, then $v = U^Tu$ and
+    We now argue that this also holds for a non-constant but continuous
+    metric tensor $M(x)$. By partitioning the domain into disjoint sets
+    $U_i$ such that $\Omega = \cup U_i$, we make a piecewise constant
+    approximation $M_\pi(x)$ such that if $x \in U_i$ then $M_\pi(x) =
+    M(x_i)$ for some fixed $x_i \in U_i$. We then approximate the right
+    side of \fixme{ref} by
     \begin{equation}
-        \abs{J} = \frac{\det M}{\left(u^T M u\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        \abs{C}_{M_\pi} = \sum_i \int_\mathcal{L} \#(l_{\nu, \rho} \cap
+        C \cap U_i) \, w_i(\nu) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho})
+        \label{eq:mpi_approx}
     \end{equation}
-    And now we argue that this also holds for a non-constant but
-    continuous metric tensor $M(x)$. By partitioning the domain into
-    disjoint sets $U_i$ such that $\Omega = \cup U_i$, we make a
-    piecewise constant approximation such that $M_\pi(x) = M(x_i)$ for
-    some fixed $x_i \in U_i$. We then approximate the right side of
-    \fixme{ref} by
+    where $w_i$ is the weight-function used in the set $U_i$ using the
+    constant tensor $M_\pi(x_i)$ and can be written
+    \begin{equation}
+        w_i(\nu) = \frac{\det M(x_i)}{\left(\nu^T M(x_i) \nu
+        \right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+    \end{equation}
+    We further simplify the approximation by introducing the global
+    weight-function $w_\pi(\nu, x)$ which is equal to
+    $w_i(\nu)$ when $x \in U_i$. It can be written
+    \begin{equation}
+        w_\pi(\nu, x) = \frac{\det M_\pi(x)}{\left(\nu^T M_\pi(x) \nu
+        \right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+    \end{equation}
+    Using this weight in \eqref{eq:mpi_approx} we can get rid of the sum
+    over the partition $i$ and form a sum of all intersection point of
+    $C$ and the line $l_{\nu, \rho}$ currently being integrated over.
+    The approximation becomes
     \begin{align}
-        \abs{C}_{M_\pi} &= \sum_i \int_\mathcal{L} n_{C\cap U_i} w_i \,
-        d\mathcal{L} \\
-        &= \sum_i \int_\mathcal{L} \sum_{x\in C\cap U_i \cap
-        \mathcal{L}} w_\pi(\phi, p) \, d\mathcal{L} \\
-        &= \int_\mathcal{L} \sum_{x\in C\cap \mathcal{L}} w_\pi(\phi, p)
-        \, d\mathcal{L}.
+        \abs{C}_{M_\pi} &=
+        \sum_i \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C \cap
+        U_i} w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}) \\
+        &= \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
+        w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}).
     \end{align}
     As our partition $\pi$ is refined the weight $w_\pi(x)$ converges
-    pointwise to the continously varying weight $w(x)$. We now want to
-    bound the expression for $w_\pi$.
+    pointwise to the continously varying weight $w(x)$. Now it only
+    remains to show that the integral converges, and that the left side
+    converges to the left side of \fixme{ref}.
+
+    Recall from \fixme{ref} that the left hand side is calculated as
     \begin{equation}
-        w_\pi = \frac{\det M(p)}{2 \left(u_L^T \cdot M(p) \cdot
-        u_L\right)^{\sfrac{3}{2}}}
+        \abs{C}_{M_\pi} = \int_C \sqrt{ \dot{C}^T M_\pi \dot{C} } \, dt.
     \end{equation}
+    We know that $M_\pi(x)$ converges pointwise to $M(x)$ and using the
+    fact that the largest eigenvalue of $M$ is equal to 1, we know that
+    the integrand is bounded and we can apply Lebesgue's dominated
+    convergence theorem to see that $\abs{C}_{M_\pi} \to
+    \abs{C}_{M(x)}$.
+
+    We apply the same theorem to show that the right hand side of
+    \fixme{ref} converges, but showing that $w_\pi(\nu, x)$ is bounded
+    is a bit more involved.
+
     If we manage to bound the singular values and keep them away from
     $0$, that would be great. The singular values \fixme{or eigenvalues}
     of our tensor is