Excursions in Combinatorial Taxicab Geometry-MathFest 2015

Preview:

Citation preview

               

                                   

       

Excursions  in  Combinatorial  in  Taxicab  Geometry  

Math  Fest  2015

John  Best

Summit  University  of  Pennsylvania  jbest@summitu.edu

 

     

     >  Points  –  The  coordinate  plane  ℝ!.        >  Distance  Function  –                              𝑑! 𝑥!,𝑦! , 𝑥!,𝑦! = 𝑥! − 𝑥! + 𝑦! − 𝑦!      >  This  is  the  Taxicab  plane  –  denoted  by   ℝ!,𝑑! .    >  Euclidean  plane  is  denoted  by   ℝ!,𝑑!    

𝑑! 𝑥!,𝑦! , 𝑥!,𝑦! = (𝑥! − 𝑥!)! + (𝑦! − 𝑦!)!  

What  is  Taxicab  Geometry?    

   

 Fig.  1.  Unit  Circle  in  the  Taxicab  plane  

What  is  Taxicab  Geometry?  

   Look  for  Taxicab  versions  of  theorems  from      combinatorial  Euclidean  Geometry.                  

             

Motivation  

 

Theorem  1  (Erdös-­‐Anning)    If  an  infinite  set  of  points  in  the  Euclidean  plane  determines  only  integer  distances,  then  all  the  points  lie  on  a  straight  line.    Proof  Reference:    Ross  Honsberger,  Mathematical  Diamonds  ,  MAA,  2003                                                                                                                            

 

   Fig.  2.  Infinitely  many  (almost  linear)  points  in  Taxicab  plane  with  integer  distances.    

 

   Fig.  3.  Infinitely  many  (very  non-­‐linear)  points  in  Taxicab  plane  with  integer  distances.          There  seems  to  be  no  Taxicab  version  of  Erdös-­‐Anning.  

Theorem  2      a)  There  are  no  four  points  in  the  Euclidean  plane  such  that  the  distance  between  each  pair  is  an  odd  integer.    b)  The  maximum  number  of  odd  integral  distances  between  𝑛  points  in   ℝ!,𝑑!  is    

𝑛!

3 +𝑟(𝑟 − 3)

6    where  𝑟 = 1, 2, 𝑜𝑟  3  and  𝑛 ≡ 𝑟  𝑚𝑜𝑑  3      

Proof  Reference:    a)  Jiri  Matousek,  Thirty-­‐three  Miniatures-­‐Mathematical  and  Algorithmic  Applications  of  Linear  Algebra,  American  Mathematical  Society,  2012    b)  L.  Piepmeyer,  The  Maximum  Number  of  Odd  Integral  Distances  Between  Points  in  the  Plane,  Discrete  and  Computational  Geometry  16  (1996),  pp.  113-­‐115                        

       

   Fig.4.  Four  points  in  Taxicab  plane  with  pairwise  odd  distances.                                                                                                            (0,0),    (5,0),    (.5,  2.5),    (.5,  -­‐8.5)      6  distinct  distance  

Theorem  2a  fails  in  Taxicab  plane  

Theorem  2T    a)  There  are  no  five  points  in  the  Taxicab  plane  such  that  the  distance  between  any  two  is  an  odd  integer.    b)  The  maximum  number  of  odd  integral  distances  between  𝑛  points  in   ℝ!,𝑑!  is      

3𝑛!

8 +𝑟(𝑟 − 4)

8    where  𝑟 = 1, 2, 3, 𝑜𝑟  4  and    𝑛 ≡ 𝑟  𝑚𝑜𝑑  4.      

Proof:      

John  Best,  Odd  Distances  in  the  Taxicab  Plane,  In  Preparation.                                                

 

 Def.  1:  A  graph  is  an  ordered  pair  G=(V,  E)  consisting  of  a  nonempty  set  V  of  vertices  together  with  a  set  E  of  unordered  pairs  of  distinct  vertices  called  edges.    A  complete  graph  on  |V  |=m  vertices  is  a  graph  in  which  every  pair  of  distinct  vertices  is  connected  by  a  unique  edge.  A  complete  graph  is  denoted  by  K  m.            

A  Little  Graph  Theory  

 Def.  2:  A  complete  bipartite  graph  is  a  graph  whose  vertices  can  be  partitioned  into  two  subsets  V  and  W  such  that  no  edge  has  both  endpoints  in  the  same  subset,  and  every  possible  edge  that  could  connect  vertices  in  different  subsets  is  part  of  the  graph.    If  |V|=m  and  |W|=n,  we  denote  the  graph  by  K  m,n.      Def.  3:  A  unit  distance  graph  is  a  set  of  points  V  in  a  metric  space  with  an  edge  connecting  two  vertices  iff  the  distance  between  the  points  equals  1.    

A  Little  Graph  Theory  

Theorem  3    The  complete  graph  K4  and  the  complete  bipartite  graph  K2,3  are  not  unit  distance  graphs  in   ℝ!,𝑑! .    Proof:  That  K2,3  is  not  a  unit  distance  graph  in   ℝ!,𝑑!  is  a  consequence  of  that  fact  that  two  distinct  unit  circles  can  intersect  in  at  most  two  points.    To  see  that  K4  is  not,  consider  an  equilateral  triangle  of  side  length  1,  and  show  that  there  cannot  be  a  4th  point  at  distance  1  from  the  three  vertices.                                                                                                                                                                                              ∎    

Theorem  3T  The  complete  graph  K4  and  the  complete  bipartite  graph  K2,3  are    unit  distance  graphs  in   ℝ!,𝑑! .  The  complete  graph  K5  is  not  a  unit  distance  graph  in  ℝ!,𝑑! .    Proof:  The  set  of  points   0,0 , 1,0 , !

!, !!, !!, !!!

 show  that  K4  is  a  unit  distance  graph  in  the  Taxicab  plane.      

To  see  that  K2,3  is  a  unit  distance  graph  in   ℝ!,𝑑!  consider  the  sets    

𝑉 = 0,0 , 1,1    and                                                        𝑊 = !

!, !!, !!, !!, !!, !!

   Calculations  show  that  the  Taxicab  distance  from  any  point  in  V  to  any  point  in  W  equals  1,  and  the  Taxicab  distance  between  points  in  V  and  W  is  not  1.    The  last  assertion  follows  from  Theorem  2T.    ∎  

                                                                                                                                                               

                                               Fig.  5.  Unit-­‐Distance  K2,3  in  Taxicab  plane  (black  edges,  green  &  red  vertices).    

Def.  4:  Let  S  be  a  bounded  set  of  points  in  either   ℝ!,𝑑!  or   ℝ!,𝑑! .  The  diameter  of  S  is  the  number                                                              𝛿 = 𝑠𝑢𝑝 𝑑!(𝑎, 𝑏) 𝑎, 𝑏   ∈ 𝑆                        

Theorem  4  (Jung’s  Theorem)    Every  finite  set  of  points  in   ℝ!,𝑑!  with  diameter  𝛿  can  be  enclosed  in  a  circle  with  radius  𝑟 ≤ !

!.  

 Proof  Reference:      Hans  Rademacher  and  Otto  Toeplitz,  The  Enjoyment  of  Mathematics,  Dover  Publications,  1990                    

Theorem  4T      Every  finite  set  of  points  in   ℝ!,𝑑!  with  diameter  𝛿  can  be  enclosed  in  a  Taxicab  circle  with  radius  𝑟 ≤ !

!.  

 Proof  Reference:    V.  Boltyanski  and  H.  Martini,  Jung’s  Theorem  for  a  pair  of  Minkowski  Spaces,  Adv.  Geom.  6  (2006),  pp.  645-­‐650            

 

 Let  F  be  a  plane  figure  with  diameter  𝛿  .  The  Borsuk  Conjecture  in  the  plane  asks  for  the  fewest  number  of  pieces  F  can  be  cut  into  so  that  each  piece  has  diameter  less  than  𝛿  .  We  denote  this  number  by  a(F)                    

Borsuk  Conjecture  in  the  Plane  

Theorem  5  (Borsuk)    For  any  figure  F  in   ℝ!,𝑑! ,  with  diameter  𝛿,    

𝑎(𝐹) ≤ 3      Proof  Reference:    V.  Boltyanski  and  I.  Gohberg,  The  Decomposition  of  Figures  into  Smaller  Parts,  The  University  of  Chicago  Press,  1980.        

 

Theorem  5T      For  any  figure  F  in   ℝ!,𝑑! ,  with  diameter  𝛿,    

𝑎(𝐹) ≤ 4    Equality  is  obtained  iff  the  convex  hull  of  F  is  a  dilation  of  the  Taxi  unit  circle  by  a  factor  of    !

!  (and  possibly  a  

translation.)      

Proof  Reference:  Same  as  Theorem  5.            

 

     Fig.6.  Borsuk  decomposition  of  Taxi  Unit  circle.  Four  parts  of  diameter  1.    

 1.  Investigate  these,  and  other  Euclidean  theorems,  in  higher  Taxi  dimensions                                                                                                       ℝ!,𝑑! ,  𝑛 ≥ 3.      2.  Investigate  these,  and  other  Euclidean  theorems,  in  other  metrics,  such  as  Chinese  Checker  Metric,  Generalized  Absolute  Value  Metric,  etc.                    

Future  Research  

Recommended