]> git.rustad.me Git - master/commitdiff
Some figures and some theory
authorBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Mon, 10 Nov 2014 13:50:20 +0000 (14:50 +0100)
committerBjørn Rustad <bjorn@rustad.me>
Mon, 10 Nov 2014 13:50:20 +0000 (14:50 +0100)
bib.bib
commands.tex
fig/area_proof.tex [new file with mode: 0644]
fig/line_disc.tex [new file with mode: 0644]
fig/line_param.tex
main.tex
theory.tex

diff --git a/bib.bib b/bib.bib
index 299f44414a63db0a22bc7a81158b973831cfc894..009fec9f0fda681c972c6300fe0aa1f5b6b6290c 100644 (file)
--- a/bib.bib
+++ b/bib.bib
        ISSN={1550-5499},\r
 }\r
 \r
+@book{megginson,\r
+       AUTHOR = {Megginson, Robert E.},\r
+       TITLE = {An introduction to {B}anach space theory},\r
+       SERIES = {Graduate Texts in Mathematics},\r
+       VOLUME = {183},\r
+       PUBLISHER = {Springer-Verlag, New York},\r
+       YEAR = {1998},\r
+       PAGES = {xx+596},\r
+       ISBN = {0-387-98431-3},\r
+       MRCLASS = {46-01 (46Bxx 47-01)},\r
+       MRNUMBER = {1650235 (99k:46002)},\r
+       MRREVIEWER = {Ehrhard Behrends},\r
+       DOI = {10.1007/978-1-4612-0603-3},\r
+       URL = {http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4612-0603-3},\r
+}\r
+\r
+@book{hewstrom,\r
+       AUTHOR = {Hewitt, Edwin and Stromberg, Karl},\r
+       TITLE = {Real and abstract analysis. {A} modern treatment of the theory\r
+               of functions of a real variable},\r
+       PUBLISHER = {Springer-Verlag, New York},\r
+       YEAR = {1965},\r
+       PAGES = {vii+476},\r
+       MRCLASS = {28.00 (26.00)},\r
+       MRNUMBER = {0188387 (32 \#5826)},\r
+       MRREVIEWER = {R. E. Edwards},\r
+}\r
+\r
 </bibtex>\r
index 3feb5b36d7a75a99bcf2582ab4b813171be5d821..d09ecb107e98c8659baf15449ff37fea2a03c8c3 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
-\newcommand{\abs}[1]{\lvert #1 \rvert}
-\newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert}
+\newcommand{\abs}[1]{\left\lvert #1 \right\rvert}
+\newcommand{\norm}[1]{\left\lVert #1 \right\rVert}
 \newcommand{\diver}{\mathop{\mathrm{div}}\nolimits}
 \newcommand{\TV}{\mathrm{TV}}
 \newcommand{\TVA}{\mathrm{TV}_A}
diff --git a/fig/area_proof.tex b/fig/area_proof.tex
new file mode 100644 (file)
index 0000000..ed74ea2
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,69 @@
+\centering
+\begin{tikzpicture}[scale=1.2]
+    \foreach \x in {0,...,5} {
+        \foreach \y in {0,...,3} {
+            \node[tiny vertex] (\x\y) at (\x, \y) {};
+        }
+    }
+
+    \draw[blue] (0,0) rectangle (1,1);
+    \draw[blue] (1,0) rectangle (2,1);
+    \draw[blue] (2,0) rectangle (3,1);
+    \draw[blue] (3,0) rectangle (4,1);
+    \draw[blue] (4,0) rectangle (5,1);
+
+    \draw[blue] (0,1) rectangle (1,2);
+    \draw[blue] (1,1) rectangle (2,2);
+    \draw[blue] (2,1) rectangle (3,2);
+    \draw[blue] (3,1) rectangle (4,2);
+    \draw[blue] (4,1) rectangle (5,2);
+
+    \draw[blue] (0,2) rectangle (1,3);
+    \draw[blue] (1,2) rectangle (2,3);
+    \draw[blue] (2,2) rectangle (3,3);
+    \draw[blue] (3,2) rectangle (4,3);
+    \draw[blue] (4,2) rectangle (5,3);
+
+    \clip (0,0) rectangle (5,3);
+
+    \path[nedge=4cm,red] (0,3) -- (2,2);
+    \path[nedge=4cm,red] (0,2) -- (2,1);
+    \path[nedge=4cm,red] (0,1) -- (2,0);
+
+    \path[nedge=4cm,red] (-1,1) -- (1,0);
+
+    \path[nedge=4cm,red] (1,3) -- (3,2);
+    \path[nedge=4cm,red] (1,2) -- (3,1);
+    \path[nedge=4cm,red] (1,1) -- (3,0);
+
+    \path[nedge=4cm,red] (2,3) -- (4,2);
+    \path[nedge=4cm,red] (3,3) -- (5,2);
+    \path[nedge=4cm,red] (4,3) -- (6,2);
+
+    \path (5,1) [edge,-,red] -- ($(6,0)!(5,1)!(4,1)$);
+    \path (4,1) [edge,-,red] -- ($(5,0)!(4,1)!(3,1)$);
+    \path (3,1) [edge,-,red] -- ($(4,0)!(3,1)!(2,1)$);
+    \path (2,1) [edge,-,red] -- ($(3,0)!(2,1)!(1,1)$);
+    \path (1,1) [edge,-,red] -- ($(2,0)!(1,1)!(0,1)$);
+
+    \path (5,2) [edge,-,red] -- ($(6,1)!(5,2)!(4,2)$);
+    \path (4,2) [edge,-,red] -- ($(5,1)!(4,2)!(3,2)$);
+    \path (3,2) [edge,-,red] -- ($(4,1)!(3,2)!(2,2)$);
+    \path (2,2) [edge,-,red] -- ($(3,1)!(2,2)!(1,2)$);
+    \path (1,2) [edge,-,red] -- ($(2,1)!(1,2)!(0,2)$);
+
+    \path (5,3) [edge,-,red] -- ($(6,2)!(5,3)!(4,3)$);
+    \path (4,3) [edge,-,red] -- ($(5,2)!(4,3)!(3,3)$);
+    \path (3,3) [edge,-,red] -- ($(4,2)!(3,3)!(2,3)$);
+    \path (2,3) [edge,-,red] -- ($(3,2)!(2,3)!(1,3)$);
+    \path (1,3) [edge,-,red] -- ($(2,2)!(1,3)!(0,3)$);
+
+\end{tikzpicture}
+\caption{
+    A visual argument that $\delta^2 = \Delta \rho \norm{e}$. If extended
+    to the whole plane, there will be the same amount of blue squares as
+    red squares, so their area must be equal. We have assumed a
+    reasonable discretization of the set of lines, such that $\Delta
+    \rho$ is equal and minimal for each family of lines.
+}
+\label{fig:area_proof}
diff --git a/fig/line_disc.tex b/fig/line_disc.tex
new file mode 100644 (file)
index 0000000..27a5d31
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,115 @@
+\centering
+\begin{subfigure}[b]{0.45\textwidth}
+    \centering
+    \begin{tikzpicture}[scale=1.2]
+        \foreach \x in {0,...,5} {
+            \foreach \y in {0,...,5} {
+                \node[tiny vertex] (\x\y) at (\x, \y) {};
+            }
+        }
+        \node[tiny vertex,draw] (a) at (1, 2) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (b) at (1, 3) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (c) at (2, 2) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (d) at (2, 3) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (e) at (2, 4) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (f) at (3, 3) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (g) at (3, 1) {};
+        \node[tiny vertex,draw] (h) at (2, 1) {};
+
+        \path[edge,-] (a) -- (b);
+        \path[edge,-] (a) -- (c);
+        \path[edge,-] (a) -- (d);
+        \path[edge,-] (a) -- (e);
+        \path[edge,-] (a) -- (f);
+        \path[edge,-] (a) -- (g);
+        \path[edge,-] (a) -- (h);
+
+        \path[dash] (1, 2) -- +(35.785:4cm);
+        \path[dash] (1, 2) -- +(54.215:4cm);
+
+        \draw (1,2) +(35.785:3.1cm) arc (35.785:54.215:3.1cm);
+        \path (1,2) ++(45:3.4cm) node {$\Delta \phi$};
+
+        %\path (00) [edge, <->, anchor=center] -- node[anchor=south] {h} (10) ;
+
+    \end{tikzpicture}
+    \caption{
+        The discrete set of lines $\mathcal{L}_D$ visualized as a
+        neighborhood.
+    }
+    \label{fig:line_neigh}
+\end{subfigure}
+~
+\begin{subfigure}[b]{0.45\textwidth}
+    \centering
+    \begin{tikzpicture}[scale=1.2]
+        \foreach \x in {0,...,5} {
+            \foreach \y in {0,...,5} {
+                \node[tiny vertex] (\x\y) at (\x, \y) {};
+            }
+        }
+
+        \clip (0, 0) rectangle (5, 5);
+
+        \path[nedge=4cm] (0,5) -- (2,4);
+        \path[nedge=4cm] (0,4) -- (2,3);
+        \path[nedge=4cm] (0,3) -- (2,2);
+        \path[nedge=4cm] (0,2) -- (2,1);
+        \path[nedge=4cm] (0,1) -- (2,0);
+
+        \path[nedge=4cm] (-1,1) -- (1,0);
+
+        \path[nedge=4cm] (1,5) -- (3,4);
+        \path[nedge=4cm] (1,4) -- (3,3);
+        \path[nedge=4cm] (1,3) -- (3,2);
+        \path[nedge=4cm] (1,2) -- (3,1);
+        \path[nedge=4cm] (1,1) -- (3,0);
+
+        \path[nedge=4cm] (2,5) -- (4,4);
+        \path[nedge=4cm] (3,5) -- (5,4);
+        \path[nedge=4cm] (4,5) -- (6,4);
+
+        %\path[dash] (2, 2) -- (5,2);
+        %\path[dash] (2, 2) -- (5,5);
+        %\path[dash] (2, 2) -- (2,5.5);
+
+        %\draw (2,2) +(0:2.5cm) arc (0:45:2.5cm);
+        %\path (2,2) ++(22.5:3cm) node {$\phi_{xy}$};
+
+        %\draw (2,2) +(45:3.3cm) arc (45:90:3.3cm);
+        %\path (2,2) ++(67.5:3.8cm) node{$\Delta\phi_{xy}$};
+
+        %\node[tiny vertex,draw] (a) at (2, 2) {x};
+        %\node[tiny vertex,draw] (b) at (2, 3) {};
+        %\node[tiny vertex,draw] (c) at (2, 1) {};
+        %\node[tiny vertex,draw] (d) at (3, 2) {};
+        %\node[tiny vertex,draw] (e) at (1, 2) {};
+        %\node[tiny vertex,draw] (f) at (3, 3) {y};
+        %\node[tiny vertex,draw] (g) at (1, 1) {};
+        %\node[tiny vertex,draw] (h) at (1, 3) {};
+        %\node[tiny vertex,draw] (i) at (3, 1) {};
+
+        %\path[edge] (a) -- (b);
+        %\path[edge] (a) -- (c);
+        %\path[edge] (a) -- (d);
+        %\path[edge] (a) -- (e);
+        %\path[edge] (a) -- (f);
+        %\path[edge] (a) -- (g);
+        %\path[edge] (a) -- (h);
+        %\path[edge] (a) -- (i);
+
+        \path (4,1) [edge, <->, anchor=center] -- node[anchor=south
+        east,yshift=-3.5pt]
+        {$\Delta \rho$}
+        ($(5,0)!(4,1)!(3,1)$) ;
+
+    \end{tikzpicture}
+    \caption{One family of lines having the same $\phi$ parameter.}
+    \label{fig:line_family}
+\end{subfigure}
+\caption{
+    The set of lines $\mathcal{L}$ is discretized to $\mathcal{L}_D$
+    where each line belongs to a family given by $\phi$, the angle
+    parameter.
+}
+\label{fig:line_disc}
index b163b72ea7099a94b679b1c9f9b37572404baabd..e56c3ad580e0990b7b4e1f9a10005d8b1dc085d8 100644 (file)
     \node[] (b) at (5, -1) {};
     \node[] (c) at ($(a)!(0,0)!(b)$) {};
     \node[] (o) at (0,0) {};
-    \draw[line] (a) -- (b);
-    \draw[line,thin,black] ($(a)!(0,0)!(b)$) -- node[above] {$\rho$} (0,0);
+    \draw[line,thin] (a) -- (b);
+    \draw[line,thin,black] ($(a)!(0,0)!(b)$) -- node[anchor=south east] {$\rho$} (0,0);
+
+    \draw[line,red,->] ($(a)!(0,0)!(b)$) -- node[anchor=south west] {$\nu$}
+    ($(a)!2cm!(b)$);
 
     \pgfextractangle{\angle}{o}{c}
     \draw (0,0) +(0:1cm) arc (0:\angle:1cm);
@@ -23,7 +26,8 @@
 
 \end{tikzpicture}
 \caption{
-    The blue line is parametrized by the angle angle $\phi$ and the
-    distance from the origin to the line $\rho$.
+    The blue line is parametrized by the angle $\phi$ and the distance
+    from the origin to the line $\rho$, or alternatively, the pair
+    $(\nu, \rho)$.
 }
 \label{fig:line_param}
index 21139dd4e3a2a56c17678f9fb86b5b45fa541287..ac5815d23a3c42866fce39726b4597029178fcd7 100644 (file)
--- a/main.tex
+++ b/main.tex
     font=\footnotesize,circle,
     minimum size=9pt,inner sep=0pt,fill=gray!40
 ]
+\tikzstyle{tiny vertex} = [
+    font=\tiny,circle,
+    minimum size=4pt,inner sep=0pt,fill=gray!40
+]
 \tikzstyle{selected vertex} = [vertex, fill=red!24]
 \tikzstyle{edge} = [draw,thick,->]
 \tikzstyle{dash} = [draw,dashed,-]
+\tikzstyle{nedge} = [
+    draw,thick,-,
+    shorten >=-#1,shorten <=-#1,
+]
 \tikzstyle{bent edge} = [draw,bend left=80,thick,->]
 \tikzstyle{double edge} = [draw,thick,<->]
 \tikzstyle{weight} = [font=\small,sloped,fill=white]
index 0997e59fe0ea0dcef382d3ce3a6a402a700ffc37..f14b3bf5e106e2025d1672fcf21ce1f11487cf81 100644 (file)
@@ -18,13 +18,10 @@ introduce the anisotropic total variation
 \begin{equation}
     \TVA(u) = \int_\Omega \sqrt{\nabla u(x)^T A(x) \nabla u(x)} \, dx
 \end{equation}
-for all $u \in C_c^1(\Omega)$. We see that if $A(x)$ is the identity
+for all $u \in C^1(\Omega)$. We see that if $A(x)$ is the identity
 matrix we get the usual total variation from \fixme{ref}. Our goal
 is to control $A(x)$ such that $\nabla u(x)$ is weighted down across
 edges, and thus the smoothing across the edges will be reduced.
-\fixme{Why compact support? They assume this in the anisotropic coarea
-formula paper, but I think it is enough to assume it for the test
-functions?}
 
 As we will not always be working with differentiable images, we extend
 the definition of the total variation functional to the space
@@ -41,10 +38,8 @@ then write
     &= \sup_{\eta^T A^{-1} \eta \leq 1} \int_\Omega u \diver \eta \,
     dx,
 \end{align}
-where $\xi$ and $\eta$ are in $C_c^1(\Omega, \mathbb{R^2})$ the $C^1$
-vector fields with compact support. \fixme{Normally it's $C_c^\infty$ for
-the test functions, but maybe that can be fixed with some density
-argument?}
+where $\xi$ and $\eta = \Ahalf \xi$ are in $C_c^\infty(\Omega,
+\mathbb{R}^2)$, the space of $C^1$ vector fields with compact support.
 If we let $\norm{\xi}_A = \sqrt{\xi^T A \xi}$ and $\norm{\eta}_A^* =
 \sqrt{\eta^T A^{-1} \eta}$, then our new extended definition reads
 \begin{equation}
@@ -53,11 +48,10 @@ If we let $\norm{\xi}_A = \sqrt{\xi^T A \xi}$ and $\norm{\eta}_A^* =
     \label{eq:extended_tv}
 \end{equation}
 
-\fixme{Energy function here?}
+\fixme{Include the whole functional somewhere.}
 \fixme{Describe how this is similar to a Euler time step in a related
 equation \cite{grasmair2010anisotropic}. This is only without the square
 root.}
-\fixme{Extend the functional}
 
 \subsection{Anisotropy tensor}
 
@@ -189,7 +183,11 @@ most rigorous background, but rather an overview of what needs to be
 shown. Some problems will be worked around, while other will be skipped
 with a reference to further theory.
 
-The basic things we ask of our functional are lower semicontinuity
+The basic things we ask of our functional
+\begin{equation}
+    F(u) = \int_\Omega (u - v)^2 + \beta \, \TVA(u)
+\end{equation}
+are lower semicontinuity
 and coercivity for existence and convexity for uniqueness. We restrict
 ourself to $L^2(\Omega)$, and leave the extension to $\BV(\Omega)$ to
 someone else \fixme{ref}.
@@ -201,32 +199,44 @@ of our functional
 \begin{equation}
     \int_\Omega (u - v)^2 \, dx
 \end{equation}
-is obviously strictly convex, as it is $0$ for $u = v$ and positive
-elsewhere. The anisotropic total variation
+is obviously strictly convex. It can be shown by expanding and
+rearranging the strict convexity condition
+\begin{equation}
+    \int_\Omega (\lambda x + (1-\lambda)y - v)^2 \, dx < \lambda
+    \int_\Omega (x - v)^2 \, dx + (1 - \lambda) \int_\Omega (y - v)^2 \,
+    dx
+\end{equation}
+to obtain that it is equivalent to
+\begin{equation}
+    - \lambda(1 - \lambda) \int_\Omega (x - y)^2 \, dx < 0
+\end{equation}
+which is true for $0 < \lambda < 1$ and $x \neq y$.
+
+The anisotropic total variation
 \begin{equation}
     \TVA(u) = \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega u \diver \xi \,
     dx
 \end{equation}
-can be thought of as a norm, and is therefore convex. The sum of the two
-is thus strictly convex, which, given the existence of a minimizer,
-implies uniqueness.
+can be thought of as, and has the properties of a norm, and is therefore
+convex. The sum of the two is thus strictly convex, which, given the
+existence of a minimizer, implies uniqueness.
 
 \subsection{Coercivity}
 
 We need coercivity to show that we cannot go further and further away to
-obtain a better and better solution. This means that as $\norm{u}_{L^2}
-\to \infty$ should imply that $F(u) \to \infty$, which is obvious from
-the fidelity term for some fixed $v \in L^2(\Omega)$.
+obtain a better and better solution. This means that $\norm{u}_{L^2} \to
+\infty$ should imply that $F(u) \to \infty$, which is obvious from the
+fidelity term for some fixed $v \in L^2(\Omega)$.
 
 From the coercivity we can conclude that we should be able to find some
-near-minimal solutions somewhere in $L^2(\Omega)$ without going too far
-away.
+near-minimal solutions somewhere in $L^2(\Omega)$ without ``going too far
+away.''
 
 \begin{figure}
     \input{fig/lower_semicont}
 \end{figure}
 
-\subsection{Lower semicontinuity}
+\subsection{Lower semi-continuity}
 
 The lower semicontinuity is the most tricky part, and this is where we
 will take some shortcuts. Lower semicontinuity for a functional $F$ at a
@@ -236,6 +246,19 @@ sequence $u_k$ converging to $u$, we have $F(u) \leq \liminf_k F(u_k)$.
 For a function $f : \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ this can be visualized as
 in Figure \ref{fig:lower_semicont}. 
 
+Since our space $L^2(\Omega)$ is of infinite dimensions things become a
+little bit problematic here. The problem lies in the fact that a
+functional which is continuous with respect to sequences is not
+neccessarily continuous with respect to the underlying topology. In
+other words, in these spaces, there is a difference between sequencial
+continuity and topological continuity. Topological continuity implies
+sequential continuity, but not the other way. One way to get around this
+would be to consider topological \emph{nets}, an extension of sequences,
+but we will stick to proving sequential lower semi-continuity and
+refering to further theory. For further reading on the theory of
+sequential versus topological continuity see for example Megginson's
+book on Banach space theory \cite{megginson}.
+
 \fixme{We consider the weak topology. Because it is convenient?}
 
 We say that a sequence $f_n$ in $L^2(\Omega)$ converges weakly to $f$ if
@@ -245,29 +268,31 @@ We say that a sequence $f_n$ in $L^2(\Omega)$ converges weakly to $f$ if
 \end{equation}
 for all $\xi \in L^2(\Omega)$ and we write $f_n \rightharpoonup f$. The
 weak topology is characterized by the fact that all weakly convergent
-sequences also converge in the weak topology. Thus the mapping $u
-\mapsto \int_\Omega \xi u \, dx$ is weakly continuous for all $\xi \in
-L^2(\Omega)$. \fixme{some nets and stuff.}
-
-Before arguing that our own functional is weakly lower semi-continous, we
-present a much needed result.
+sequences also converge in the weak topology. Also, the mapping $u
+\mapsto \int_\Omega u \, \xi \, dx$ is weakly continuous for all $\xi
+\in L^2(\Omega)$. Note that when we write weakly continuous it is not a
+weaker version of continuity, but rather continuity in the weak
+topology, and the same goes for lower semi-continuity.
+
+Before arguing that our own functional is sequentially weakly lower
+semi-continous, we present a much needed result.
 \begin{lemma}
     Assume that the functional $F : L^2(\Omega) \to \mathbb{R}$ is
     defined by
     \begin{equation}
         F = \sup_i F_i
     \end{equation}
-    where all the $F_i$ are weakly lower semi-coninuous, then $F$ is
-    weakly lower semi-continuous, meaning that for any sequence $u_k
-    \rightharpoonup u$ we have $F(u) \leq \liminf_k F(u_k)$.
+    where all the $F_i$ are sequentially weakly lower semi-coninuous, then $F$
+    is sequentially weakly lower semi-continuous, meaning that for any sequence
+    $u_k \rightharpoonup u$ we have $F(u) \leq \liminf_k F(u_k)$.
 \end{lemma}
 \begin{proof}
     For any sequence $u_k \rightharpoonup u$ in $L^2(\Omega)$ we have
     \begin{equation}
         F(u) = \sup_i F_i(u) \leq \sup_i \liminf_{k \to \infty} F_i(u_k)
     \end{equation}
-    from the weak lower semi-continuity of $F_i$. Using that $\liminf_{k
-    \to \infty} = \sup_k \inf_{k \leq l}$, we obtain
+    from the sequential weak lower semi-continuity of $F_i$. Using that
+    $\liminf_{k \to \infty} = \sup_k \inf_{k \leq l}$, we obtain
     \begin{equation}
         \begin{aligned}
             F(u) &\leq \sup_i \sup_k \inf_{k \leq l} F_i(u_k) \\
@@ -276,37 +301,41 @@ present a much needed result.
                  &= \liminf_{k \to \infty} F(u_k)
         \end{aligned}
     \end{equation}
-    which proves that $F$ is weakly lower semi-continuous.
+    which proves that $F$ is sequentially weakly lower semi-continuous.
 \end{proof}
-\fixme{This proof is not technically correct, as we have ignored the fact that
-in the weak topology, considering sequences is not really enough, and
-one should consider \emph{nets}. But we accept it for now and refer to
-(?) for further theory.}
 
-For our functional in \fixme{ref}, we first consider the fidelity term
+From our functional in \fixme{ref}, we first consider the fidelity term
 \begin{equation}
-    \int_\Omega (u - v)^2 \, dx = \sup_{\substack{\xi \in L^2(\Omega) \\
-    \norm{\xi}_{L^2} \leq \norm{u-v}_{L^2}}} \int_\Omega (u - v) \, \xi
-    \, dx.
+    \int_\Omega (u - v)^2 \, dx
+    %= \sup_{\substack{\xi \in L^2(\Omega) \\ \norm{\xi}_{L^2} \leq
+    %\norm{u-v}_{L^2}}} \int_\Omega (u - v) \, \xi \, dx.
+    = \sup \left\{\int_\Omega (u - v) \, \xi \, dx : \xi \in
+    L^2(\Omega), \norm{\xi}_{L^2} \leq \norm{u-v}_{L^2} \right\}
 \end{equation}
 As the map $u \mapsto \int_\Omega (u - v) \xi\, dx$ is continous in the
 weak topology, the fidelity term is then a supremum of weakly continous
-functionals, and is thus weakly lower semi-continuous.
+functionals, and is thus sequentially lower semi-continuous.
 
 For the regularization term the approach is similar. With our extended
 definition from \eqref{eq:extended_tv}, we have
 \begin{equation}
-    \TVA(u) = \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega u \, \diver \xi \,
-    dx
+    %\TVA(u) = \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega u \, \diver \xi \,
+    %dx
+    \TVA(u) = \sup \left\{\int_\Omega u \, \diver \xi \, dx : \xi \in
+    C_c^\infty(\Omega, \mathbb{R}^2), \norm{\xi}_A^* \leq 1 \right\} 
 \end{equation}
-where $\xi \in C_c^\infty(\Omega, \mathbb{R}^2)$. This is again is a
+This is again is a
 supremum of weakly continuous functionals. Thus the regularization term
-is also weakly lower semi-continuous.
+is also sequentially weakly lower semi-continuous.
+\fixme{Could consider writing the supremums as a supremum over a set
+with $\{ \}$ instead of all the subscripts!}
+\fixme{It would probably be most correct to say: weakly sequentially
+lower semi-continuous?}
 
-The usual ways of going from coercivity and lower semicontinuity do not
-work in infinite dimensions. See for example \fixme{Theorem 5.1 in
-\cite{scherzer2008variational}}. \fixme{And probably some other
-references to fix all the small inaccuracies}
+The usual ways of going from coercivity and lower semicontinuity to
+existence do not work in infinite dimensions. But with our coercivity
+and sequential lower semi-continuity we can apply \fixme{Theorem 5.1 in
+\cite{scherzer2008variational}}.
 
 \section{Anisotropic coarea formula}
 
@@ -330,10 +359,10 @@ write a non-negative image $u \geq 0$ as an integral over all the layers
     u = \int_0^\infty u^s \, ds.
     \label{eq:positive_int}
 \end{equation}
-Note that it only holds for positive image, something which has to be
-worked around in the proof of the coarea formula. For the proof we will
-avoid measure theory and follow a proof given in
-\cite{olsson2009extending}.
+Note that \eqref{eq:positive_int} only holds for a non-negative image,
+something which has to be worked around in the proof of the coarea
+formula. For the proof we will avoid measure theory and follow a proof
+given in \cite{olsson2009extending}.
 
 \begin{figure}
     \input{fig/eta_r}
@@ -357,34 +386,57 @@ avoid measure theory and follow a proof given in
     Assume that $u \geq 0$ such that the integral in
     \eqref{eq:positive_int} holds, then inserting into the extended
     total variation definition in \eqref{eq:extended_tv} gives
-    \begin{align}
-        \TVA(u) &= \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega \left(
-        \int_0^\infty u^s ds \right) \diver \xi \, dx
-        = \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega \int_0^\infty u^s
-        \diver \xi \, ds \, dx \\
-        &\leq \int_0^\infty \left( \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1}
-        \int_\Omega u^s \diver \xi \, dx \right) \, ds
-        = \int_0^\infty \TVA(u^s) \, ds.
-    \end{align}
+    \begin{equation}
+        \begin{aligned}
+            \TVA(u) &= \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega
+            \left( \int_0^\infty u^s ds \right) \diver \xi \, dx
+            = \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega \int_0^\infty u^s
+            \diver \xi \, ds \, dx \\
+            &\leq \int_0^\infty
+            \left( \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega u^s \diver
+            \xi \, dx \right) \, ds
+            = \int_0^\infty \TVA(u^s) \, ds.
+        \end{aligned}
+        \label{eq:tv_u_pos}
+    \end{equation}
     For $u \leq 0$ we use that $\TVA(-v) = \TVA(v)$ and that $\TVA(c + v) =
     \TVA(v)$ for any constant $c$. Note that $-u \geq 0$ and that its
-    thresholded image $(-u)^s$ will be exactly the opposite of $u^{-s}$.
-    This allows us to show that
-    \begin{align}
-        \TVA(u) &= \TVA(-u) \leq \int_0^\infty \TVA \big( (-u)^r \big) \,
-        dr \\
-        &= \int_0^\infty \TVA(1 - u^{-r}) \, dr = \int_0^\infty
-        \TVA(u^{-r}) \, dr = \int_{-\infty}^0 \TVA(u^s) \, ds.
-    \end{align}
+    thresholded image $(-u)^s$ will be exactly the opposite of $u^{-s}$,
+    that is, $(-u)^s = 1 - u^{-s}$.  This allows us to show that
+    \begin{equation}
+        \begin{aligned}
+            \TVA(u) &= \TVA(-u) \leq \int_0^\infty \TVA \big( (-u)^r
+            \big) \, dr \\
+            &= \int_0^\infty \TVA(1 - u^{-r}) \, dr = \int_0^\infty
+            \TVA(u^{-r}) \, dr = \int_{-\infty}^0 \TVA(u^s) \, ds.
+        \end{aligned}
+        \label{eq:tv_u_neg}
+    \end{equation}
+    Following from the supremum definition of the anisotropic total
+    variation in \eqref{eq:extended_tv}, we obtain the inequality
+    \begin{equation}
+        \begin{aligned}
+            \TVA(u_1 + u_2) &= \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega (u_1 +
+            u_2) \diver \xi \, dx \\
+            &\leq \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega u_1
+            \diver \xi \, dx + \sup_{\norm{\xi}_A^* \leq 1} \int_\Omega u_2
+            \diver \xi \, dx\\
+            &= \TVA(u_1) + \TVA(u_2).
+        \end{aligned}
+    \end{equation}
     Next, we write a general $u$ as a difference between two positive
-    functions $u = u_+ - u_-$ and conclude that
-    \begin{align}
-        \TVA(u) &\leq \TVA(u_-) + \TVA(u_+) = \TVA(-u_-) + \TVA(u_+) \\
-               &\leq \int_{-\infty}^0 \TVA\big((-u_-)^s\big) \, ds +
-        \int_0^\infty \TVA(u_+^s) \, ds \\
-        &= \int_{-\infty}^0 \TVA(u^s) \, ds + \int_0^\infty \TVA(u^s) \,
-        ds = \int_{-\infty}^\infty \TVA(u^s) \, ds.
-    \end{align}
+    functions $u = u_+ - u_-$ where $u = u_+$ when $u \geq 0$ and $u =
+    -u_-$ when $u \leq 0$. Inserting \eqref{eq:tv_u_pos} and
+    \eqref{eq:tv_u_neg} we obtain
+    \begin{equation}
+        \begin{aligned}
+            \TVA(u) &\leq \TVA(u_-) + \TVA(u_+) = \TVA(-u_-) + \TVA(u_+) \\
+                    &\leq \int_{-\infty}^0 \TVA\big((-u_-)^s\big) \, ds +
+            \int_0^\infty \TVA(u_+^s) \, ds \\
+            &= \int_{-\infty}^0 \TVA(u^s) \, ds + \int_0^\infty \TVA(u^s) \,
+            ds = \int_{-\infty}^\infty \TVA(u^s) \, ds.
+        \end{aligned}
+    \end{equation}
     Note that $u_+$ and $u_-$ will not be differentiable everywhere, but
     we did not use the differentiability of $u$ in this part of the
     proof.
@@ -397,12 +449,13 @@ avoid measure theory and follow a proof given in
         \, dx,
     \end{equation}
     and note that $m(\infty) = \TVA(u)$. Since $m(t)$ is non-decreasing
-    with $t$, we can apply the existence theorem of Lebesgue \fixme{ref}
-    to conclude that $m'(t)$ exists almost everywhere and that
-    Lebesgue's inequality holds:
+    with $t$, we can apply the existence theorems of Lebesgue \cite[Thm.\
+    17.12, 18.14]{hewstrom} to conclude that $m'(t)$ exists almost
+    everywhere and that the following inequality holds:
     \begin{equation}
         \int_{-\infty}^\infty m'(t)\, dt \leq m(\infty) - m(-\infty) =
         \TVA(u).
+        \label{eq:tva_geq_mder}
     \end{equation}
     Next, fix an $s \in \mathbb{R}$ and define the function
     \begin{equation}
@@ -423,14 +476,16 @@ avoid measure theory and follow a proof given in
     \end{equation}
     for all vector fields $\xi \in C_c^\infty(\Omega, \mathbb{R}^2)$.
     Assuming that $\norm{\xi}_A^* \leq 1$ we have
-    \begin{align}
-        \frac{m(s+r) - m(s)}{r}
-        &= \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s+r \}} \norm{\nabla u}_A
-        \, dx \\
-        &\geq \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s + r\}} \nabla u \cdot
-        \xi \, dx
-        = \int_\Omega -\eta_r(u) \diver \xi \, dx.
-    \end{align}
+    \begin{equation}
+        \begin{aligned}
+            \frac{m(s+r) - m(s)}{r}
+            &= \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s+r \}} \norm{\nabla u}_A
+            \, dx \\
+            &\geq \frac{1}{r} \int_{\{ s \leq u \leq s + r\}} \nabla u \cdot
+            \xi \, dx
+            = \int_\Omega -\eta_r(u) \diver \xi \, dx.
+        \end{aligned}
+    \end{equation}
     As the limit of the left-hand side when $r \to 0$ exists almost
     everywhere, suppose it exists at $s \in \mathbb{R}$, then
     \begin{equation}
@@ -439,7 +494,7 @@ avoid measure theory and follow a proof given in
     since $\eta_r(u) \to u^s$ when $r \to 0$. As this holds for any
     $\norm{\xi}_A^* \leq 1$, we get from the extended total variation
     definition in \eqref{eq:extended_tv} that $m'(s) \geq \TVA(u_s)$
-    almost everywhere and conclude that
+    almost everywhere and conclude using \eqref{eq:tva_geq_mder} that
     \begin{equation}
         \TVA(u) \geq \int_{-\infty}^\infty m'(t) \, dt \geq
         \int_{-\infty}^\infty \TVA(u^s) \, ds.
@@ -475,6 +530,7 @@ calculated in the following way
         \cdot \Ahalf \eta \, dt \\
         &= \int_{\partial \{ u > s\} } \sqrt{\nu_s A \nu_s} \, dt.
     \end{aligned}
+    \label{eq:perimeter_calc}
 \end{equation}
 Here, $\nu_s$ is the unit normal of the level set $\{ u > s \}$ and by
 applying the divergence theorem we have assumed that the boundary is
@@ -497,11 +553,17 @@ definition of the TV...}
     \input{fig/line_param}
 \end{figure}
 
-If we parametrize straight lines as shown in Figure \ref{fig:line_param}, we can
-define the set of all staight lines as $\mathcal{L} = \{ (\phi, \rho) :
-\phi \in [0, 2\pi), \rho \geq 0 \}$. 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
+\fixme{Something something curious geometric measure theory interesting
+integral formulas etc, introduction one or two sentences}
+
+We write $\mathcal{L}$ for the set of all straight lines in the plane,
+and parametrize them as shown in Figure \ref{fig:line_param}. Thus a
+line is parametrized by the angle $\phi$ of the normal going to the
+origin, and the distance $\rho$ from origin to the line. Sometimes it is
+more convenient to consider a unit vector $\nu$ giving the direction of
+the line instead of the angle parameter $\phi$.  We will write a line
+$\ell_{\phi, \rho} = \ell_{\nu, \rho}$ 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
@@ -512,11 +574,11 @@ motions, meaning combinations of translations and rotations.
     this curve $\abs{C}$ is related to the set of lines $\mathcal{L}$ as
     follows
     \begin{equation}
-        \int_\mathcal{L} \#(l_{\phi, \rho} \cap C) \,
-        d\mathcal{L}(l_{\phi, \rho}) = 2 \abs{C},
+        \int_\mathcal{L} \#(\ell_{\phi, \rho} \cap C) \,
+        d\mathcal{L}(\ell_{\phi, \rho}) = 2 \abs{C},
     \end{equation}
-    where $\#(l_{\phi, \rho} \cap C)$ is the number of times the line
-    $l_{\phi, \rho}$ intersects the curve $C$.
+    where $\#(\ell_{\phi, \rho} \cap C)$ is the number of times the line
+    $\ell_{\phi, \rho}$ intersects the curve $C$.
     \label{thm:euclidean_cauchy_crofton}
 \end{theorem}
 This elegant formula is very useful when we later will discretize our
@@ -542,10 +604,10 @@ metric tensor in each point.
     The Cauchy--Crofton formula for a differentiable curve $C$ of finite
     length then becomes
     \begin{equation}
-        \abs{C}_M = \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
+        \abs{C}_M = \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
         \, \frac{\det M(x)}{2 \left( \nu^T \cdot M(x) \cdot \nu
         \right)^{\sfrac{3}{2}}}
-        \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}).
+        \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho}).
         \label{eq:riemannian_cauchy_crofton}
     \end{equation}
     \label{thm:riemannian_cauchy_crofton}
@@ -580,26 +642,26 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
         \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})}\,
+        &= \int_\mathcal{L} \#(\ell_{\phi, \rho} \cap M^{\sfrac{1}{2}}C) \,
+        d\mathcal{L}(\ell_{\phi, \rho}) \\
+        &= \int_\mathcal{L} \#(M^{-\sfrac{1}{2}}\ell_{\phi, \rho} \cap C) \,
+        d\mathcal{L}(\ell_{\phi, \rho}) \\
+        &= \int_\mathcal{L} \#(m_{\phi, \rho} \cap C) \abs{J_M(\ell_{\phi, \rho})}\,
         d\mathcal{L}(m_{\phi, \rho})
     \end{align}
-    where $J_M(l_{\phi, \rho})$ is the Jacobian of our coordinate
+    where $J_M(\ell_{\phi, \rho})$ is the Jacobian of our coordinate
     transformation $F : \mathcal{L} \to \mathcal{L}$, which maps
-    $l_{\phi, \rho} \mapsto \Mhalf l_{\phi, \rho}$.
+    $\ell_{\phi, \rho} \mapsto \Mhalf \ell_{\phi, \rho}$.
 
-    As $M\in \mathbb{R}^{2\times2}$ is symmetric, so is
-    $M^{\sfrac{1}{2}}$, and it admits an eigendecomposition $\Mhalf
-    = U\Sigma U^T$ where the components correspond to the following
-    coordinate transformations
+    We will now compute the Jacobian $J_M(\ell_{\phi, \rho})$.  As $M\in
+    \mathbb{R}^{2\times2}$ is symmetric, so is $M^{\sfrac{1}{2}}$, and
+    it admits an eigendecomposition $\Mhalf = U\Sigma U^T$ where the
+    components correspond to the following coordinate transformations
     \begin{align}
         %U(\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} \\
+        U(\ell_{\nu,\rho}) &= \ell_{\phi + \xi, \rho} = \ell_{U\nu, \rho} \\
+        U^T(\ell_{\nu,\rho}) &= \ell_{\phi - \xi, \rho} = \ell_{U^T\nu, \rho} \\
         \Sigma &= \begin{pmatrix}
             \sigma_1 & 0 \\
             0 & \sigma_2
@@ -607,10 +669,10 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
     \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 operator
-    $\Lambda$ such that $J_M(l_{\phi, \rho}) = J_{\Sigma^2}(U^T l_{\phi,
+    $\Lambda$ such that $J_M(\ell_{\phi, \rho}) = J_{\Sigma^2}(U^T \ell_{\phi,
     \rho})$. Given a line
     \begin{equation}
-        l_{\phi, \rho} = \begin{pmatrix}
+        \ell_{\phi, \rho} = \begin{pmatrix}
             \rho\cdot \cos \phi \\
             \rho\cdot \sin \phi
         \end{pmatrix}
@@ -621,7 +683,7 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
     \end{equation}
     the operator $\Sigma$ transforms it into
     \begin{equation}
-        \Sigma l_{\phi, \rho} = \begin{pmatrix}
+        \Sigma \ell_{\phi, \rho} = \begin{pmatrix}
             \sigma_1 \rho\cdot \cos \phi \\
             \sigma_2 \rho\cdot \sin \phi
         \end{pmatrix}
@@ -630,7 +692,7 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
             \sigma_2 \cos \phi
         \end{pmatrix},
     \end{equation}
-    which is the line $l_{\theta, \eta}$ with
+    which is the line $\ell_{\theta, \eta}$ with
     \begin{align}
         \theta &= \arctan \left( \frac{\sigma_1}{\sigma_2} \tan \phi
         \right) \\
@@ -645,7 +707,7 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
         + \sigma_2 \rho \cdot \sin \phi \cdot \sin \theta.
     \end{align}
     As $\partial_\rho \theta = 0$, the Jacobian becomes
-    $\abs{J_{\Sigma^2}(l_{\phi, \rho})} = \partial_\phi\theta \cdot
+    $\abs{J_{\Sigma^2}(\ell_{\phi, \rho})} = \partial_\phi\theta \cdot
     \partial_\rho \eta$. Differentiation yields
     \begin{align}
         \partial_\phi \theta &= \frac{ \frac{\sigma_1}{\sigma_2}
@@ -664,14 +726,13 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
         \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}}.
+        = \frac{\sigma_1 \sigma_2}{\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
+    $\ell_{\phi, \rho} = \ell_{\nu, \rho}$ then
     \begin{equation}
-        \abs{J_{\Sigma^2}(l_{\nu, \rho})}
+        \abs{J_{\Sigma^2}(\ell_{\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}}}
@@ -682,9 +743,9 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
         \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
+    all that is left to do is insert $U^T \ell_{\nu, \rho}$ to obtain
     \begin{equation}
-        \abs{J_M(l_{\nu, \rho})} = \abs{J_{\Sigma^2}(U^T l_{\nu, \rho})}
+        \abs{J_M(\ell_{\nu, \rho})} = \abs{J_{\Sigma^2}(U^T \ell_{\nu, \rho})}
         = \frac{\det M}{\left(\nu^T U \cdot \Sigma^2 \cdot U^T
         \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
         = \frac{\det M}{\left(\nu^T \cdot M \cdot \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}}
@@ -695,9 +756,9 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
     \begin{equation}
         \abs{C}_M = \int_C \sqrt{\langle \dot{C}, M \dot{C} \rangle} \,
         dt
-        = \int_\mathcal{L} \# (l_{\nu, \rho} \cap C)
+        = \int_\mathcal{L} \# (\ell_{\nu, \rho} \cap C)
         \frac{\det M}{\left(\nu^T \cdot M \cdot \nu
-        \right)^{\sfrac{3}{2}}} \, d\mathcal{L} (l_{\nu, \rho})
+        \right)^{\sfrac{3}{2}}} \, d\mathcal{L} (\ell_{\nu, \rho})
         \label{eq:riemannian_const_m}
     \end{equation}
     We now argue that the similar formula in
@@ -708,8 +769,8 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
     then $M_\pi(x) = M(x_i)$ for some fixed $x_i \in U_i$. We then
     approximate \eqref{eq:riemannian_const_m} by
     \begin{equation}
-        \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})
+        \abs{C}_{M_\pi} = \sum_i \int_\mathcal{L} \#(\ell_{\nu, \rho} \cap
+        C \cap U_i) \, w_i(\nu) \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho})
         \label{eq:mpi_approx}
     \end{equation}
     where $w_i$ is the weight-function used in the set $U_i$
@@ -727,15 +788,15 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
     \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.
+    $C$ and the line $\ell_{\nu, \rho}$ currently being integrated over.
     The approximation becomes
     \begin{equation}
         \begin{aligned}
             \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}).
+            \sum_i \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C \cap
+            U_i} w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho}) \\
+            &= \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
+            w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho}).
         \end{aligned}
         \label{eq:riemannian_segments}
     \end{equation}
@@ -757,15 +818,26 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
         = \int_C \abs{\dot{C}(t)}_{M_\pi} \, dt
         = \int_C \sqrt{ \dot{C}(t)^T M_\pi\big( C(t) \big) \dot{C}(t) }
         \, dt.
+        \label{eq:piecewise_curve_length}
     \end{equation}
     We know that $M_\pi(x)$ converges pointwise to $M(x)$, and thus
     $\abs{\dot{C}(t)}_{M_\pi}$ converges pointwise to
     $\abs{\dot{C}(t)}_M$. We have assumed bounds on the eigenvalues
-    of $M(x)$, and we can parametrize $C$ by its arc length such that
-    $\abs{\dot{C}(t)} = 1$, and thus the integrand is bounded and we can
-    apply Lebesgue's dominated convergence theorem to see that
+    of $M(x)$ such that according to the Rayleigh principle
+    \begin{equation}
+        K \geq \lambda_1 = \max_\xi \frac{\xi^T M_\pi(x) \xi}{ \xi^T \xi
+        }
+        \implies \xi^T M_\pi(x) \xi \leq K \, \xi^T \xi \quad \forall \xi
+    \end{equation}
+    Thus the integrand of \eqref{eq:piecewise_curve_length} is bounded
+    by $g(t) = \sqrt{K \cdot \dot{C}(t)^T \dot{C}(t)}$. We know that
+    $g(t)$ is integrable as its integral is exactly $\sqrt{K} \abs{C}$
+    and we have assumed that the curve is of finite length.  This means
+    we can apply Lebesgue's dominated convergence theorem to see that
     $\abs{C}_{M_\pi} \to \abs{C}_M$.
 
+    \fixme{ugly line spacing}
+
     We apply the same theorem to show that the right hand side of
     \eqref{eq:riemannian_segments} converges. Recall the definition of
     $w_\pi$ in \eqref{eq:wpi_def}. The numerator is equal to $\sigma_1^2
@@ -777,34 +849,43 @@ integration theory see for example \fixme{ref that is not wikipedia}
     Next we need to bound $\nu^T M_\pi(x) \nu$ away from zero. According
     to the Rayleigh principle
     \begin{equation}
-        \lambda_2 = \min_{\norm{\xi} = 1} \sqrt{\xi^T M_\pi(x) \xi}
+        \lambda_2 = \min_{\norm{\xi} = 1} \xi^T M_\pi(x) \xi
+    \end{equation}
+    and thus $\nu^T M_\pi(x) \nu \geq \lambda_2 \geq k$. The weight
+    function $w_\pi$ is then bounded such that
+    \begin{equation}
+        \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C} w_\pi(\nu, x)
+        \leq 
+        \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
+        \frac{K^2}{k^{\sfrac{3}{2}}}
+        =
+        \frac{K^2}{k^{\sfrac{3}{2}}} \cdot \# (\ell_{\nu, \rho} \cap C)
+        = g(\ell_{\nu, \rho}).
     \end{equation}
-    and thus $\nu^T M_\pi(x) \nu \geq \lambda_2^2 \geq k^2$. The weight
-    function $w_\pi$ is then bounded, but not neccesarily the sum
+    This is integrable following from the Euclidean Cauchy--Crofton
+    formula in Theorem \ref{thm:euclidean_cauchy_crofton} and the fact
+    that we assumed $C$ to be of finite length
     \begin{equation}
-        \sum_{\mathclap{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}} w_\pi(\nu, x).
+        \int_\mathcal{L} g(\ell_{\nu, \rho}) \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu,
+        \rho}) = \frac{K^2}{k^{\sfrac{3}{2}}} \abs{C} < \infty.
     \end{equation}
-    However, if the $l_{\nu, \rho} \cap C$ is infinite for a set of
-    lines with measure greater than zero, the Euclidean Cauchy--Crofton
-    formula in Theorem \ref{thm:euclidean_cauchy_crofton} implies that
-    the curve is infinitely long which we have assumed it is not. So as
-    the sum is bounded almost everywhere we can apply Lebesgue's
-    dominated convergence theorem again and conclude that
+    Thus we can apply the dominated convergence theorem again and
+    conclude that
     \begin{equation}
-        \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
-        w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho})
+        \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
+        w_\pi(\nu, x) \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho})
         \to
-        \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
-        w(\nu, x) \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho})
+        \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
+        w(\nu, x) \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho})
     \end{equation}
     which--as both sides of the equality has been shown to
     converge--leaves us with what we wanted to prove
     \begin{equation}
         \abs{C}_M =
-        \int_\mathcal{L} \sum_{x \in l_{\nu, \rho} \cap C}
+        \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
         \frac{\det M(x)}{2 \left( \nu^T \cdot M(x) \cdot \nu
         \right)^{\sfrac{3}{2}}} \,
-        d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}).
+        d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho}).
     \end{equation}
 \end{proof}
 
@@ -817,12 +898,13 @@ set of the image. In the Euclidean case, which here would amount to
 setting the anisotropy tensor $A$ equal to the identity matrix $I$, the
 perimeter coincides nicely with the length of the boundary curve,
 assuming some regularity for the boundary. In the general case we need
-to be more careful. As can be seen in \fixme{ref}, the anisotropic
-perimeter is calculated by integrating the norm of the \emph{normal
-vector} around the boundary, while the anisotropic curve length in
-\eqref{eq:riemannian_length} is the integral of the norm of the
-\emph{tangent vector} of the curve. If $P$ is a 90\textdegree{} rotation
-matrix and we assume an arclength parametrisation of our curve we have
+to be more careful. As can be seen in \eqref{eq:perimeter_calc}, the
+anisotropic perimeter is calculated by integrating the norm of the
+\emph{normal vector} around the boundary, while the anisotropic curve
+length in \eqref{eq:riemannian_length} is the integral of the norm of
+the \emph{tangent vector} of the curve. If $P$ is a 90\textdegree{}
+rotation matrix and we assume an arclength parametrisation of our curve
+we have
 \begin{equation}
     \begin{aligned}
         \PerA(U; \Omega) &= \int_{\partial U} \sqrt{ \langle
@@ -880,9 +962,9 @@ continuous?} Inserting the Cauchy--Crofton formula, we obtain the final
 expression for the continuous anisotropic total variation
 \begin{equation}
     \TVA(u) = \int_{-\infty}^{\infty} \int_\mathcal{L} \sum_{x \in
-    l_{\nu, \rho} \cap \gamma_s } \frac{\det M(x)}
+    \ell_{\nu, \rho} \cap \gamma_s } \frac{\det M(x)}
     {2 \left( \nu^T \cdot M(x) \cdot \nu \right)^{\sfrac{3}{2}}}
-    \, d\mathcal{L}(l_{\nu, \rho}) \, ds,
+    \, d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho}) \, ds,
 \end{equation}
 where $\gamma_s = \partial \{ u > s \}$ is the boundary of the level set
 for level $s$. Note that $P$ does not affect the determinant, i.e.\
@@ -957,7 +1039,8 @@ Discretizing the regularization term is more challenging. We introduce
 the discrete levels to get
 \begin{equation}
     \int_{-\infty}^\infty \PerA( \{ u > \lambda \}; \Omega) \, d\lambda
-    \approx \sum_{\lambda = 0}^{L-2} \PerA( \{ u > \lambda \}; \Omega).
+    \approx \sum_{\lambda = 0}^{L-2} \PerA( \{ u > \lambda \}; \Omega)
+    \, \Delta \lambda.
 \end{equation}
 Note that we do not include any $\Delta \lambda$ difference, as we can
 just absorb this into the $\beta$ parameter. The perimeter is then
@@ -968,82 +1051,122 @@ introduced in \fixme{ref}.
 \subsubsection{Discrete Riemannian Cauchy--Crofton formula}
 
 \begin{figure}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{fig/neigh_lines.png}
-    \caption{
-        The set of lines $\mathcal{L}$ is discretized to $\mathcal{L}_D$
-        where each line belongs to a family given by the angle $\phi$
-        parameter. In the figure to the left we see a visualization of
-        \fixme{almost} all the families as a neighborhood. \fixme{Note
-            that the angle $\phi$ is normally taken as a parameter
-            giving the normal to the actual line, but since we only
-        consider the difference $\Delta\phi$, this does not matter?}
-        To the right we see all the lines of one family.
-    }
-    \label{fig:neigh_lines}
+    \input{fig/line_disc}
 \end{figure}
 By approximating the integral in \fixme{REF} by a discrete sum we obtain
 the approximation
 \begin{align}
-    \abs{C}_R &= \int_\mathcal{L} n_C \, \frac{\det M(p)}{2\left(u_L^T
-    \cdot M(p) \cdot u_L\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, d\mathcal{L} \\
-    &\approx \sum_{\mathcal{L}_D} n_C \, \frac{\det M(p)}{2\left(u_L^T
-    \cdot M(p) \cdot u_L\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\phi \,
-    \Delta\rho \\
+    \abs{C}_M &= \int_\mathcal{L} \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C}
+    \, \frac{\det M(x)}{2\left(\nu^T
+    \cdot M(x) \cdot \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}} \,
+    d\mathcal{L}(\ell_{\nu, \rho}) \\
+    &\approx \sum_{\ell_{\nu, \rho} \in \mathcal{L}_D}
+    \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C} \,
+    \frac{\det M(x)}{2\left(\nu^T
+    \cdot M(x) \cdot \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\rho \,
+    \Delta\phi \\
+    &\approx \sum_\nu \sum_\rho \sum_{x \in \ell_{\nu, \rho} \cap C} \,
+    \frac{\det M(x)}{2\left(\nu^T
+    \cdot M(x) \cdot \nu\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\rho \,
+    \Delta\phi.
+    \label{eq:cauchy_crofton_approx1}
 \end{align}
-where $\mathcal{L}_D$ is a discretization of the set of lines in the
-plane $\mathcal{L}$ \fixme{figure}. Since the final goal is to work with
-digital images, it makes sense to discretize our domain $\Omega$ as a
-regular (?) lattice? $\mathcal{G}$. The set of lines $\mathcal{L}_D$ can
-then be made up of lines through points on this lattice as shown in
-Figure \fixme{some figure with lines}. Further working towards our graph
-cut representation of the problem later, each line is made up of
-\emph{edges} going between the points in the lattice. We will denote an
-edge by $e$. The curve length can then be approximated by
+The set of lines $\mathcal{L}$ has been discretized to the lines
+$\mathcal{L}_D$. Note that we are approximating the length of the
+\emph{differentiable} curve $C$ in $\Omega$. Further we need to
+discretize the domain $\Omega$, which will lead to discrete level sets
+$\{ u > \lambda\}$ and ``discrete'' curves.
+
+Since the final goal is to work with digital images, it makes sense to
+discretize our domain $\Omega$ as a regular grid $\mathcal{G}$. Our
+image is then reduced to a function $u : \mathcal{G} \to \mathcal{L}$.
+\fixme{mathcal L is now two things.} Moreover, the level sets $\{ u >
+\lambda\}$ will be functions taking the value of 0 or 1 on this grid, as
+shown in Figure \fixme{ref}. Thus the perimeter of these sets will be
+piecewise linear lines following the boundaries of the pixels in
+$\mathcal{G}$.
+
+The choice of our discrete set of lines $\mathcal{L}_D$ is important, as
+it will decide the accuracy of our approximation in
+\eqref{eq:cauchy_crofton_approx1}. We will only consider lines going
+through points in in our grid $\mathcal{G}$, and for now we will
+consider a discretization which is uniform throughout the domain. The
+set of lines can then be represented by the neighborhood of a pixel as
+shown in Figure \ref{fig:line_neigh}. Extending the edges shown in the
+Figure gives all lines going through the point considered. Figure
+\ref{fig:line_family} shows all lines of a given family, i.e.\ lines
+having the same angle parameter $\phi$.
+
+Thus not only have we discretized the set of lines, but each line is
+made up of \emph{edges} going from one grid point to the next. We will
+denote such an edge by $e$ or $e_{ab}$ when its endpoints are $a, b \in
+\mathcal{G}$. Thus we rewrite the discretization of
+\eqref{eq:cauchy_crofton_approx1}, and sum over all the edges in the
+discretization $\mathcal{L}_D$ to obtain
 \begin{equation}
-    \abs{C}_R \approx \sum_{e} n_C(e) \, \frac{\det M(e) \norm{e}^3}{2
-    \left(e^T \cdot M(e) \cdot e\right)^{\sfrac{3}{2}}} \, \Delta\phi \,
-    \Delta\rho.
+    \abs{C}_M \approx \sum_{e} \sum_{x \in e \cap C} \, \frac{\det M(x)
+    \norm{e}^3}{2 \left(e^T \cdot M(x) \cdot e\right)^{\sfrac{3}{2}}} \,
+    \Delta\phi \, \Delta\rho.
 \end{equation}
-As our metric tensor $M$ is only known in the grid points, we
-approximate the tensor in the intersection point $p$ (between the curve
-$C$ and the edge $e$) by
+This is beginning to look like something we can calculate. One
+difficulty is finding the intersections $e \cap C$. The exact
+calculations of these points will not fit into our graph cut framework
+later, and thus for an edge $e$ we will consider only the question of
+``did $e$ cross $C$ or not?'' This amounts to checking whether the
+terminals of $e$ lie on each side of the perimeter $C$, and the
+approximation is exact for zero or one intersection points, but will, as
+we see in Figure \fixme{ref}, not be entirely correct when we have more.
+
+\fixme{curve or perimeter here, maybe perimeter because then we know it
+follows the boundaries of the pixels.}
+
+The second difficulty is that in the discrete setting, we will only have
+an approximation of the metric tensor $M(x)$ for each point $x \in
+\mathcal{G}$, and it is thus not available for arbitrary intersection
+points in $\Omega$. For an edge $e$ we will utilize the average of the
+tensor in the two endpoints of the edge. Thus for an intersection point
+$x$ somewhere on the edge $e_{ab}$, we approximate the metric tensor by
 \begin{equation}
-    M(p) \approx M(e) = \frac{M\big(p_1(e)\big) + M\big(p_2(e)\big)}{2},
+    M(x) \approx M(e_{ab}) = \frac{M(a) + M(b)}{2},
 \end{equation}
 the component-wise average of the tensors in the two end points of the
-edge.
+edge. \fixme{really? componentwise? will that not mess up the
+eigenvalues?}
+
 \begin{figure}
-    \centering
-    \includegraphics[width=0.7\textwidth]{fig/area_argument.png}
-    \caption{
-        We see that for any reasonable family of lines (i.e.\ we do
-        not leave any unneccessary gaps), the area covered by a blue
-        square, $\delta^2$ is equal to the area covered by a red
-        rectangle $\Delta \rho \norm{e_k}$, as there will be the same
-        number of blue squares and red rectangles if we cover the whole
-        plane.
-    }
-    \label{fig:area_argument}
+    \input{fig/area_proof}
 \end{figure}
-Assuming some regularity on our curve, and that our discretization is
-somehow fine, we approximate $n_C(e)$ by a function which is $1$ if $C$
-crosses $e$ an odd number of times, and $0$ if not, meaning that we
-ignore multiple passes across $e$ and only care about if $C$ goes from
-one side of $e$ to the other. Further, as can be seen in Figure
-\fixme{some figure with lines etc.}, the distance between lines in line
-family $k$ is $\Delta \rho_k = \delta^2 / \norm{e_k}$. Thus the curve
-length is approximated by
+Further, as can be seen in Figure \ref{fig:area_proof}
+the distance between lines in a given line family is $\Delta \rho =
+\delta^2 / \norm{e}$. Thus the curve length is approximated by
 \begin{equation}
-    \abs{C}_R \approx \sum_{e\cap C} \frac{\det M(e) \norm{e}^2
+    \abs{C}_M \approx \sum_{e \cap C} \frac{\det M(e) \norm{e}^2
     \, \delta^2 \, \Delta\phi}{2 \left(e^T \cdot M(e) \cdot
     e\right)^{\sfrac{3}{2}}}.
 \end{equation}
+Going back to the perimeter of the level set $\{ u > \lambda \}$ we get
+\begin{equation}
+    \PerA(\{u > \lambda\}; \mathcal{G}) = \sum_{e_{ab}} \abs{
+    u^\lambda(a) - u^\lambda(b)} \frac{\det M(e_{ab}) \norm{e_{ab}}^2
+    \, \delta^2 \, \Delta\phi}{2 \left(e_{ab}^T \cdot M(e_{ab}) \cdot
+    e_{ab}\right)^{\sfrac{3}{2}}}.
+\end{equation}
+The absolute value $\abs{u^\lambda(a) - u^\lambda(b)}$ is one if one of
+$a$ and $b$ lie inside the level set and the other lies outside, and
+zero otherwise. In other words if the absolute value is one if $e_{ab}$
+crosses the perimeter of $\{ u > \lambda\}$ an odd number of times, and
+zero otherwise.
 
 \fixme{We now have the problem that $C$ is a curve, but later we want it
 to be a cut...}
 
-\subsubsection{Consistency}
+\subsubsection{Consistency, stability and convergence}
+
+As for any discretization these are important properties to consider.
+Consistency relates to how well a solution to the continuous problem
+fits in the discretized equation. This would optimally be controlled by
+the resolution of the discretization in such a way that if we refine the
+discretization, the 
 
 Consider a square centered around grid point $p$ with side lengths
 $\sqrt{\delta}$. The size of this square will go to zero, while the