Уровень установлен - Level set

Для вычислительной техники см. Метод установки уровня. Для ровных поверхностей силовых полей см. Эквипотенциальная поверхность.

Указывает на постоянные срезы Икс₂ = ж(Икс₁).

Линии на постоянных срезах Икс₃ = ж(Икс₁, Икс₂).

Плоскости на постоянных срезах Икс₄ = ж(Икс₁, Икс₂, Икс₃).

(п − 1)-мерные наборы уровней для функций вида ж(Икс₁, Икс₂, ..., Икс_п) = а₁Икс₁ + а₂Икс₂ + ... + а_пИкс_п куда а₁, а₂, ..., а_п константы, в (п + 1)-мерное евклидово пространство, при п = 1, 2, 3.

Указывает на постоянные срезы Икс₂ = ж(Икс₁).

Контурные кривые на постоянных срезах Икс₃ = ж(Икс₁, Икс₂).

Криволинейные поверхности на постоянных срезах Икс₄ = ж(Икс₁, Икс₂, Икс₃).

(п − 1)-мерные множества уровня нелинейных функций ж(Икс₁, Икс₂, ..., Икс_п) в (п + 1)-мерное евклидово пространство, при п = 1, 2, 3.

В математика, а набор уровней из настоящий -значен функция ж из п реальные переменные представляет собой набор вида

${\displaystyle L_{c}(f)=\left\{(x_{1},\cdots ,x_{n})\,\mid \,f(x_{1},\cdots ,x_{n})=c\right\}~,}$

то есть набор, в котором функция принимает заданное постоянное значение c.

Когда количество переменных равно двум, набор уровня обычно представляет собой кривую, называемую кривой уровня, контурная линия, или изолинии. Таким образом, линия уровня - это набор всех действительных решений уравнения с двумя переменными. Икс₁ и Икс₂. Когда п = 3, набор уровня называется поверхностью уровня (см. Также изоповерхность ), а для более высоких значений п набор уровня - это гиперповерхность уровня. Так что Поверхность уровня - множество всех действительных корней уравнения от трех переменных Икс₁, Икс₂ и Икс₃, а уровень гиперповерхность - множество всех действительных корней уравнения в п (п > 3) переменные.

Набор уровней - это частный случай волокно.

Альтернативные названия

Пересечения координировать поверхности уровня функции с трилистник. Красные кривые находятся ближе всего к зрителю, а желтые кривые - дальше всего.

Наборы уровней появляются во многих приложениях, часто под разными именами.

Например, неявная кривая является кривой уровня, которая рассматривается независимо от соседних кривых, подчеркивая, что такая кривая определяется неявное уравнение. Аналогично, ровную поверхность иногда называют неявной поверхностью или изоповерхность.

Также используется название изоконтур, что означает контур одинаковой высоты. В различных областях применения изоконтуры получили определенные имена, которые часто указывают на характер значений рассматриваемой функции, например изобара, изотерма, изогон, изохрона, изокванта и кривая безразличия.

Примеры

Рассмотрим двумерное евклидово расстояние:

$${\displaystyle d(x,y)={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}$$

Набор уровней ${\displaystyle L_{r}(d)}$ этой функции состоит из точек, находящихся на расстоянии ${\displaystyle r}$ от происхождения, иначе известный как круг. Например, ${\displaystyle (3,4)\in L_{5}(d)}$, потому что ${\displaystyle d(3,4)=5}$. Геометрически это означает, что точка ${\displaystyle (3,4)}$ лежит на окружности радиуса 5 с центром в начале координат. В более общем плане сфера в метрическое пространство ${\displaystyle (M,m)}$ с радиусом ${\displaystyle r}$ сосредоточен на ${\displaystyle x\in M}$ можно определить как набор уровней ${\displaystyle L_{r}(y\mapsto m(x,y))}$.

Второй пример - сюжет Функция Химмельблау показано на рисунке справа. Каждая показанная кривая является кривой уровня функции, и они разнесены логарифмически: если кривая представляет ${\displaystyle L_{x}}$, кривая прямо «внутри» представляет ${\displaystyle L_{x/10}}$, а кривая прямо «снаружи» представляет ${\displaystyle L_{10x}}$.

График кривой уровня с логическими интервалами Функция Химмельблау ^[1]

Наборы уровней по сравнению с градиентом

Рассмотрим функцию ж график которого похож на холм. Синие кривые - это наборы уровней; красные кривые соответствуют направлению градиента. Осторожный путешественник следует синими тропинками; смелый путешественник следует красными тропами. Обратите внимание, что синие и красные пути всегда пересекаются под прямым углом.

Теорема: Если функция ж является дифференцируемый, то градиент из ж в точке либо равна нулю, либо перпендикулярна уровню множества ж в таком случае.

Чтобы понять, что это значит, представьте, что два туриста находятся в одном месте на горе. Один из них смелый, и он решает пойти в том направлении, где склон самый крутой. Другой более осторожен; он не хочет ни подниматься, ни спускаться, выбирая путь, который удержит его на той же высоте. В нашей аналогии, приведенная выше теорема гласит, что два туриста отправятся в направлениях, перпендикулярных друг другу.

Следствием этой теоремы (и ее доказательства) является то, что если ж дифференцируема, набор уровня - это гиперповерхность и многообразие вне критические точки из ж. В критической точке набор уровня может быть уменьшен до точки (например, в локальный экстремум из ж ) или может иметь необычность например, точка самопересечения или куспид.

Наборы подуровней и суперуровней

Набор формы

${\displaystyle L_{c}^{-}(f)=\left\{(x_{1},\cdots ,x_{n})\,\mid \,f(x_{1},\cdots ,x_{n})\leq c\right\}}$

называется подуровневый набор из ж (или, альтернативно, набор нижнего уровня или же траншея из ж). А строгий подуровень набор из ж является

${\displaystyle \left\{(x_{1},\cdots ,x_{n})\,\mid \,f(x_{1},\cdots ,x_{n})<c\right\}}$

по аналогии

${\displaystyle L_{c}^{+}(f)=\left\{(x_{1},\cdots ,x_{n})\,\mid \,f(x_{1},\cdots ,x_{n})\geq c\right\}}$

называется суперуровневый набор из ж.^[2][3] И аналогично строгий суперуровневый набор из f

${\displaystyle \left\{(x_{1},\cdots ,x_{n})\,\mid \,f(x_{1},\cdots ,x_{n})>c\right\}}$

Подуровни важны в теория минимизации. В ограниченность некоторых непустой множество подуровней и полунепрерывность снизу функции означает, что функция достигает своего минимума, по Теорема Вейерштрасса. В выпуклость всех множеств подуровней характеризует квазивыпуклые функции.^[4]

Смотрите также

• Эпиграф
• Метод установки уровня
• Набор уровней (структуры данных)

Рекомендации

1. Симионеску, П.А. (2011). «Некоторые достижения в визуализации ограниченных функций и неравенств двух переменных». Журнал вычислительной техники и информатики в инженерии. 11 (1). Дои:10.1115/1.3570770.
2. Войцеховский, М. (2001) [1994], «Уровень установлен», Энциклопедия математики, EMS Press
3. Вайсштейн, Эрик В. «Набор уровней». MathWorld.
4. Кивель, Кшиштоф К. (2001). «Сходимость и эффективность субградиентных методов квазивыпуклой минимизации». Математическое программирование, серия A. Берлин, Гейдельберг: Springer. 90 (1): 1–25. Дои:10.1007 / PL00011414. ISSN  0025-5610. МИСТЕР  1819784.