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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / math / 17459 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-28  |  14.5 KB  |  364 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!munnari.oz.au!spool.mu.edu!agate!usenet.ins.cwru.edu!eagle!convx1.lerc.nasa.gov!sshws
  3. From: sshws@convx1.lerc.nasa.gov (Herb Schilling)
  4. Subject: SUMMARY: Equispaced points on sphere?
  5. Message-ID: <1992Dec28.161133.9259@eagle.lerc.nasa.gov>
  6. Sender: news@eagle.lerc.nasa.gov
  7. Nntp-Posting-Host: convx1.lerc.nasa.gov
  8. Organization: NASA Lewis Research Center
  9. Date: Mon, 28 Dec 1992 16:11:33 GMT
  10. Lines: 352
  11.  
  12.  
  13. After a long delay ( sorry ) , here is a summary of replies to my question
  14. on how do you place N points on a 3-D sphere such that the minimum 
  15. distance between any two points is a maximum. 
  16.  
  17. ============================================================================
  18.  
  19. Received: from enet-gw.pa.dec.com by convx1.lerc.nasa.gov (5.64/10.0)   id
  20. AA06832; Tue, 1 Dec 92 09:21:06 -0500
  21. Received: by enet-gw.pa.dec.com; id AA01781; Tue, 1 Dec 92 06:20:58 -0800
  22. Message-Id: <9212011420.AA01781@enet-gw.pa.dec.com>
  23. Received: from 3d.enet; by decwrl.enet; Tue, 1 Dec 92 06:20:59 PST
  24. Date: Tue, 1 Dec 92 06:20:59 PST
  25. From: Jim Roth MLO1-2/U2 223-6562 Workstations Software  01-Dec-1992 0923
  26. <roth@3d.enet.dec.com>
  27. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  28. Apparently-To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  29. Subject: Re: Equispaced points on sphere? ( Repeat?)
  30.  
  31. In article <1992Dec1.134328.19116@eagle.lerc.nasa.gov>, you write...
  32. >I apologize if this was just discussed ( I think it was ), but I
  33. >am trying to figure out how to determine the locations of n equispaced 
  34. >points on the surface of 3-D sphere. 
  35.  
  36. As far as I know, such equidistant points only exist for cases coming
  37. from the classcial polyhedra (squares, cubes, octahedra, icosahedron...)
  38.  
  39. You can get a close approximation using geodesic dome techniques for some
  40. values of N though.
  41.  
  42. Start with a parent polyhedron like an icosahedron and triangulate the
  43. faces into more equilateral triangles.  Projecting the points on the sphere
  44. will not have too bad a discrepancy.
  45.  
  46. For general N I don't know of a simple way to do this, or if it's even
  47. possible without being related to geodesic domes.
  48.  
  49. - Jim
  50.  
  51. ============================================================================
  52.  
  53. Received: from vnet.ibm.com by convx1.lerc.nasa.gov (5.64/10.0) id AA29744;
  54. Tue, 1 Dec 92 10:58:06 -0500
  55. Message-Id: <9212011558.AA29744@convx1.lerc.nasa.gov>
  56. Received: from PKMFGVM1 by vnet.ibm.com (IBM VM SMTP V2R2) with BSMTP id
  57. 8863; Tue, 01 Dec 92 10:55:21 EST
  58. Date: Tue, 1 Dec 92 10:52:48 EST
  59. From: "Phil Hanna" <pehanna@vnet.ibm.com>
  60. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  61. Subject: Equispaced points on a sphere
  62.  
  63. Herb, this is an unsolved problem I have been interested in for years.
  64. Are you sure you are describing exactly what you want?  Do you mean
  65. equidistant or maximally distant?  For example, for n=5, you can
  66. locate four points equidistant around the equator and one point at
  67. the north pole, and if you think of these points as vertices of a
  68. square pyramid, all of the edges are the same length.  But all five
  69. points are not equidistant from each other (consider the diagonals
  70. of the base).  If you are thinking of "equidistant" in terms of
  71. some definition of "neighboring points", this is not the solution.
  72. If you think of circular caps extending out from each point and
  73. try to maximize the common radius, it turns out that a better solution
  74. is north pole/south pole/three points at 120 degrees along the
  75. equator.  I conjecture that for sufficiently large n, the solution
  76. is not unique.
  77.  
  78. I have found some references in the literature.  Martin Gardner
  79. devoted one of his columns in Scientific American (I think it was
  80. in mid to late 1969) to this problem.  He cast it in terms of
  81. how to locate n lunar bases as far apart from each other as possible.
  82. There is a more rigorous treatment in the book "Regular Figures"
  83. by Fejes-Toth.  It turns out that the problem occurs in nature, in
  84. the optimum placement of dimples on a pollen grain.
  85.  
  86. As of 1969, there were solutions for specific values of n up to
  87. about 13 but no general solution.  It is a rich problem; think
  88. of solutions in terms of the polyhedra that they determine.  What
  89. do these polyhedra have in common?  Of the five platonic solids,
  90. you would think they all are solutions for n equal to their
  91. number of vertices, but this is only true for four of them.  The
  92. cube is not the solution for n=8; a 45 degree twisted cube is.
  93.  
  94. Please let me know what you find out on this problem.  In particular,
  95. see if you can come up with a good definition, where "good" means
  96. that it produces solutions that intuitively look right.  Thanks.
  97.  
  98. Phil Hanna
  99. pehanna@vnet.ibm.com
  100.  
  101.  
  102. ============================================================================
  103.  
  104. Received: from newton.visgraf.impa.br by convx1.lerc.nasa.gov (5.64/10.0)  
  105.     id AA05914; Tue, 1 Dec 92 13:33:51 -0500
  106. Received: from Phong (phong.visgraf.impa.br) by Newton.visgraf.impa.br
  107. (4.1/SMI-4.1)    id AA10235; Tue, 1 Dec 92 16:28:13 EDT
  108. Date: Tue, 1 Dec 92 16:28:12 EDT
  109. From: lhf@visgraf.impa.br (Luiz Henrique de Figueiredo)
  110. Message-Id: <9212011828.AA10235@Newton.visgraf.impa.br>
  111. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  112. Subject: Re: Equispaced points on sphere?
  113.  
  114. If you can settle for *almost* equispaced points, then a simple algorithm is:
  115.         1. start with a icosaheadron
  116.         2. foreach triangle
  117.                 - divide triangle into 4, by connecting midpoints of sides
  118.         3. repeat step 2 as much as neeeded.
  119.  
  120. I can send you code for that if you need.
  121. --
  122. Luiz Henrique de Figueiredo                        email: lhf@impa.br
  123. IMPA-Instituto de Matematica Pura e Aplicada              lhfig@brlncc.bitnet
  124. Estrada Dona Castorina 110                         voice: +55 21 294-9032 x226
  125. 22460 Rio de Janeiro, RJ, Brasil                     fax: +55 21 512-4115
  126. --
  127.  
  128. ============================================================================
  129. ============
  130.  
  131. Received: from kruuna.Helsinki.FI by convx1.lerc.nasa.gov (5.64/10.0)   id
  132. AA27248; Wed, 2 Dec 92 09:10:06 -0500
  133. Received: from klaava.Helsinki.FI by kruuna.helsinki.fi with SMTP id
  134. AA07270 (5.65c8/IDA-1.4.4 for <sshws@convx1.lerc.nasa.gov>); Wed, 2 Dec
  135. 1992 16:09:57 +0200
  136. Received: by klaava.Helsinki.FI (4.1/SMI-4.1)   id AA28515; Wed, 2 Dec 92
  137. 16:09:57 +0200
  138. Date: Wed, 2 Dec 92 16:09:57 +0200
  139. From: huuskone@cc.helsinki.fi (Taneli Huuskonen)
  140. Message-Id: <9212021409.AA28515@klaava.Helsinki.FI>
  141. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  142. Subject: Re: Equispaced points on sphere? ( Repeat?)
  143. Newsgroups: sci.math
  144. References: <1992Dec1.134328.19116@eagle.lerc.nasa.gov>
  145.  
  146. In sci.math you write:
  147.  
  148.  
  149. >I apologize if this was just discussed ( I think it was ), but I
  150. >am trying to figure out how to determine the locations of n equispaced 
  151. >points on the surface of 3-D sphere. 
  152.  
  153. Depends on how you define "equispaced".  The most natural definition,
  154. IMHO, would be to require that the points be the corners of a regular
  155. polyhedron, but there are just five regular polyhedra, corresponding to
  156. n=4, 6, 8, 12, and 20.  Of course, you can arrange the points at the
  157. corners of a regular n-sided polygon lying on a great circle (or even a
  158. small circle) of the sphere, which would make them "equidistant" in a
  159. fairly natural sense, but I don't find that quite satisfying.  There are
  160. other possibilities as well, but I suspect things may get somewhat
  161. complicated when you explore them.
  162. -- 
  163. Taneli Huuskonen |   finger huuskonen@cc.helsinki.fi   | Garanteely speling
  164. -----------------|-------------------------------------| & grammer errur free
  165.  Did I claim | S e va'gy tala'n me'g jobban boldogi't  |---------------------
  166.  something?  | Mint ha ott volne'k, ahol lenni va'gyok.  -Peto"fi Sa'ndor
  167.  
  168. ============================================================================
  169.  
  170.  
  171.  
  172. Article 26715 of sci.math:
  173. Newsgroups: sci.math
  174. Path: eagle!usenet.ins.cwru.edu!wsu-cs!trace.eng.wayne.edu!uds
  175. From: uds@trace.eng.wayne.edu (Seetamraju Udaybhaskar)
  176. Subject: Re: Equispaced points on sphere? ( Repeat?)
  177. Message-ID: <1992Dec2.012601.14083@cs.wayne.edu>
  178. Sender: usenet@cs.wayne.edu (Usenet News)
  179. Reply-To: uds@trace.eng.wayne.edu (Seetamraju Udaybhaskar)
  180. Organization: Wayne State University, Detroit
  181. References: <1992Dec1.134328.19116@eagle.lerc.nasa.gov>
  182. Date: Wed, 2 Dec 1992 01:26:01 GMT
  183. Lines: 65
  184.  
  185. In article sshws@convx1.lerc.nasa.gov (Herb Schilling) writes:
  186. >
  187. >am trying to figure out how to determine the locations of n equispaced 
  188. >points on the surface of 3-D sphere. 
  189.  
  190.  
  191. I have a algorithmic solution.
  192.  
  193. The idea is based on this observation.  ANy 3 neighboring points will
  194. form a `triangle' (in quotes, because U dont have a straight line
  195. triangle on a sphere, but I hope U get what I am seeing in my mind.
  196. maybe we shall call it a `bulged triangle' made up of arcs...)
  197.  
  198. Now since all points are equidistant, clearly this bulged triangle
  199. will be `equilateral' and more importantly, all such triangles are
  200. identical.
  201.  
  202. Hence if there are n equidistant points on the sphere, there are c(n,3)
  203. such triangles.
  204.  
  205. Clearly,  if f(l) is the area of each bulged triangle (all are equal in
  206. area), then
  207.  
  208.                 f(l) * c(n,3)  == 4.pi.r^2              ---- (1)
  209.  
  210. where l is the `equi'-distance between the equidistant points.
  211.  
  212. Now heres the fuzzy part...  I am giving a not so clear derivation of
  213. f(l)... then since eqn-(1) contains only one variable (i.e., the distance
  214. `l') one can solve for it...!!
  215.  
  216. After I solve for `l', I use a compass or divider (in software ofcourse)
  217. to `mark-out' all the neighboring points of ANY ARBITRARY INTIAL point
  218. and THEN the NEIGHBORING points of THOSE NEIGHBORING points  and so on...
  219.  
  220.  
  221. Well, here's the formula for f(l) ::::
  222.  
  223. Clearly, each such triangle is HALF the area of a `bulged-square' whose
  224. sides are of length `l'.  The area of the square (I am guessing here!!)
  225.  
  226.                   (theta)^2
  227.                 = _______  * 4 * pi * r^2               ---- (2)
  228.                    (360)^2
  229.  
  230. where theta is the angle subtended by the arc connecting ANY TWO neighboring
  231. equidistant points.  right ?
  232.  
  233. Clearly, theta = l / 2pi*r  in radians :: to be converted into degrees...
  234.  
  235.  
  236. Hence f(l) =     (l)^2 *  4 * pi * r    * a conversion factor for
  237. radians-to-degrees
  238.                 --------------------
  239.                 2 * (360)^2 *  2 * pi * r
  240.  
  241.           =   l^2 / (2 * pi)^2     =   ( l / 2*pi)^2.
  242.  
  243.  
  244. This is too simple a formula.   I am not at all confident of it...
  245. But, if U can correctly determine f(l), the problem is solved...
  246.  
  247.  
  248. Seetamraju Udaya Bhaskar Sarma
  249. (email : seetam @ ece7 . eng . wayne . edu)
  250.  
  251.  
  252.  
  253.  
  254. ============================================================================
  255.  
  256.  
  257.  
  258. Received: from spam.maths.adelaide.edu.au by convx1.lerc.nasa.gov
  259. (5.64/10.0)   id AA15760; Wed, 2 Dec 92 20:57:51 -0500
  260. Received: by spam.maths.adelaide.edu.au (5.61+IDA+MU/UA-5.21)   id AA23545;
  261. Thu, 3 Dec 1992 12:08:51 +1030
  262. Date: Thu, 3 Dec 1992 12:08:51 +1030
  263. From: Mark A Stewart <mstewart@spam.maths.adelaide.edu.au>
  264. Message-Id: <9212030138.AA23545@spam.maths.adelaide.edu.au>
  265. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  266. Subject: Re: Equispaced points on sphere? ( Repeat?)
  267. Newsgroups: sci.math
  268. In-Reply-To: <1992Dec1.134328.19116@eagle.lerc.nasa.gov>
  269. Organization: Statistics, Pure & Applied Mathematics, University of Adelaide
  270.  
  271. Gooday,
  272.         This is just a top of the head response so dont take it as gospel.
  273. But I believe the way to do this is to look at the symetry groups of the
  274. plutonic solids and then look at the finite fixed point sets of these groups.
  275. These points correspond to either vertices, midpoints of the edges, and
  276. midpoints
  277. of the faces all of which may be scaled to fit on the sphere and satisfy your
  278. condition. Of course this somewhat restricts the choices of 'n'.
  279.         If this doesnt help mail me, as I looked at a similar problem for
  280. a geographer some years back now and have the notes stashed away somewhere.
  281.  
  282.         Mark Stewart
  283.  
  284. ============================================================================
  285.  
  286.  
  287. Received: from mummy.agsm.unsw.OZ.AU by convx1.lerc.nasa.gov (5.64/10.0)   
  288.     id AA18104; Thu, 3 Dec 92 01:18:01 -0500
  289. Received: by mummy.agsm.unsw.OZ.AU id AA07927 (5.65c/IDA-1.4.4 for
  290. sshws@convx1.lerc.nasa.gov); Thu, 3 Dec 1992 17:19:59 +1100
  291. Date: Thu, 3 Dec 1992 17:19:59 +1100
  292. From: Glen Barnett <barnett@mummy.agsm.unsw.OZ.AU>
  293. Message-Id: <199212030619.AA07927@mummy.agsm.unsw.OZ.AU>
  294. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  295. Subject: Re: Equispaced points on sphere? ( Repeat?)
  296. Newsgroups: sci.math
  297. In-Reply-To: <1992Dec1.134328.19116@eagle.lerc.nasa.gov>
  298. Organization: The Australian Graduate School of Management
  299. Cc: 
  300.  
  301. In article <1992Dec1.134328.19116@eagle.lerc.nasa.gov> you write:
  302. >
  303. >I apologize if this was just discussed ( I think it was ), but I
  304. >am trying to figure out how to determine the locations of n equispaced 
  305. >points on the surface of 3-D sphere. 
  306.  
  307. There was a fair discussion of this fairly recently. Strictly, I guess,
  308. only 1,2,3 and 4 points can be placed so all points are equally
  309. distant from all other points (and the placements are obvious).
  310.  
  311. What you probably refer to would correspond (for >3 points) to 
  312. the vertices of an inscribed Platonic solid - i.e. 4,6,8,12,20
  313. points can be placed 'equidistant' in the same sense that an inscribed
  314. regular hexagon places 6 points 'equidistantly' when inscribed in a circle -
  315. they aren't equidistant, except from their closest neighbours.
  316.  
  317. The interesting questions come when you try to place, say 5
  318. points "as far apart as possible" on a sphere. In general, I don't
  319. think there is an algorithm for this.
  320.  
  321. >
  322. > By the way, I searched hi and low for archives of this newsgroup but
  323. >was unable to find one. Is there one ?
  324. >
  325. If its not in the FAQ (posted to sci.math regularly), I doubt it.
  326.  
  327. Glen
  328.  
  329.  
  330. ==============================================================================
  331.  
  332.  
  333. Received: from liberty.uc.wlu.edu by convx1.lerc.nasa.gov (5.64/10.0)   id
  334. AA01465; Thu, 3 Dec 92 14:29:58 -0500
  335. Message-Id: <9212031929.AA01465@convx1.lerc.nasa.gov>
  336. Received: by liberty.uc.wlu.edu (16.8/16.2) id AA16847; Thu, 3 Dec 92
  337. 14:29:26 -0500
  338. Date: Thu, 3 Dec 92 14:29:26 -0500
  339. From: Tim Murdoch <tmurdoch@liberty.uc.wlu.edu>
  340. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  341.  
  342. To: sshws@convx1.lerc.nasa.gov (Herb Schilling)
  343. Subject: Re: Equispaced points on sphere? ( Repeat?)
  344. Newsgroups: sci.math
  345. Organization: Washington & Lee University
  346.  
  347. Hi,
  348.  
  349. I'm responding to your post about equi-spaced points on a sphere. Do you
  350. mean a set of points such that any pair of points are the same distance
  351. apart? Also, are you talking about a three dimensional sphere or a sphere
  352. in ordinary 3-space? I can answer your question if your answer to my first
  353. question is yes. In fact, I have a paper to appear in the American
  354. Mathematical Monthly that addresses this very question.
  355.  
  356. I look forward to your reply.
  357.  
  358. -- <<Tim Murdoch>>
  359.  
  360. -- 
  361. Herb Schilling , NASA Lewis Research Center , 21000 Brookpark Road, MS 142-5
  362. Cleveland, Ohio 44135 . (216) 433-8955       sshws@convx1.lerc.nasa.gov
  363.