Шаблон:Распространение радиоволн ВЧ/Реализация/encompassing aperture t::unify/Алгоритм

Пусть объединяются два сектора сферы, релизуемые классом классом encompassing_aperture_t - $\Omega _{1}=\left\langle {\vec {c}}_{1},\alpha _{1}\right\rangle$ и $\Omega _{2}=\left\langle {\vec {c}}_{2},\alpha _{2}\right\rangle$, где ${\vec {c}}_{i}$ - вектор направления на центральную точку $i$-го сектора (возвращаемый методом encompassing_aperture_t::central_point), а $\alpha _{i}$ - соответствующий ангулярный радиус (возвращаемый методом encompassing_aperture_t::radius).

Сектор encompassing_aperture_t

В результате объединения создается новый сектор $\Omega _{12}=\left\langle {\vec {c}}_{12},\alpha _{12}\right\rangle =\Omega _{1}\cup \Omega _{2}$.

Вектора ${\vec {c}}_{i}$ могут быть либо нулевыми либо единичными. Сектор с нулевым вектором направления считается нейтральным по операции объединения, т.е. $\left\langle {\vec {0}},\alpha _{1}\right\rangle \cup \Omega =\Omega \cup \left\langle {\vec {0}},\alpha _{2}\right\rangle =\Omega$.

Далее рассматривается случай, в котором $\left|{\vec {c}}_{1}\right|=\left|{\vec {c}}_{2}\right|=1$.

Поскольку направленные отрезки ${\vec {c}}_{1}$ и ${\vec {c}}_{2}$ исходят из одной точки - центра сферы, оба отрезка принадлежат одной плоскости, причем эта плоскость является диаметральным сечением сферы. Поэтому задача поиска объединяющего сектора, то есть вектора ${\vec {c}}_{12}$ и ангулярного радиуса $\alpha _{12}$, становится двумерной.

Диаметральное сечение сферы, которому принадлежат вектора ${\vec {c}}_{1}$ и ${\vec {c}}_{2}$. Если ${\vec {c'}}_{1}\nparallel {\vec {c'}}_{2}$, то вектор ${\vec {c}}_{12}$, задающий направление на центральную точку объединяющего сектора, будет являться нормализованной суммой векторов ${\vec {c'}}_{1}$ и ${\vec {c'}}_{2}$, если $\alpha _{12}<{\frac {\pi }{2}}$ и противоположен этой сумме, если $\alpha _{12}>{\frac {\pi }{2}}$.

Существует три случая.

Объединение секторов, у которых ${\vec {c}}_{1}\|{\vec {c}}_{2}$.

Рассмотрим первый случай, когда ${\vec {c}}_{1}\|{\vec {c}}_{2}$. Поскольку длины всех векторов равны единице, ${\vec {c}}_{2}=-{\vec {c}}_{1}$, а количество плоскостей, которым одновременно могут принадлежать ${\vec {c}}_{1}$ и ${\vec {c}}_{2}$ бесконечно, вследствие чего количество возможных секторов минимальной площади, объединяющих $\Omega _{1}$ и $\Omega _{2}$, также бесконечно и зависит от того на какой из плоскостей будут принадлежать выбранные ${\vec {c'}}_{1}$ и ${\vec {c'}}_{2}$; и этот выбор будет сводится к выбору диаметральной плоскости, проходящей через ${\vec {c}}_{1}$.

Этот выбор можно сделать, если задать произвольный вектор ${\vec {c}}_{n}$, перпендикулярный ${\vec {c}}_{1}$.

В описываемой реализации

${\vec {c}}_{n}=\left[{\begin{matrix}{\begin{pmatrix}1&0&0\end{pmatrix}}^{T},\Leftrightarrow {\vec {c}}_{1}.x\equiv 0\\{\begin{pmatrix}-{\frac {{\vec {c}}_{1}.y}{{\vec {c}}_{1}.x}}&1&0\end{pmatrix}}^{T},\Leftrightarrow {\vec {c}}_{1}.x\equiv 0\end{matrix}}\right.$.

Тогда на плоскости, которой одновременно принадлежат ${\vec {c}}_{1}$, ${\vec {c'}}_{1}$ и ${\vec {c'}}_{2}$, будет однозначно определен вектор Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_{12}} , отстоящий на одинаковом угловом расстоянии от векторов Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_1} и Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_2} и, поэтому, параллельный вектору Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c}_{12}} центральной точки сектора-объединения.

Для нахождения вектора Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_{12}} достаточно выразить его в базисе $\left\langle {\vec {c}}_{1},{\vec {c}}_{n}\right\rangle$ и осуществить переход к мировой системе координат входной модели. Как видно из рисунка, в указанном базисе вектор Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_{12}} имеет координаты

Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \begin{pmatrix} \left|\vec{c}_1\right|\cdot\textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \beta\right)\textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2}-\left(\alpha_1 + \beta\right)\right) \\ \left|\vec{c}_1\right|\cdot\textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \beta\right)\textrm{sin}\left(\frac{\pi}{2}-\left(\alpha_1 + \beta\right)\right) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \beta\right)\textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2}-\left(\alpha_1 + \beta\right)\right) \\ \textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \beta\right)\textrm{sin}\left(\frac{\pi}{2}-\left(\alpha_1 + \beta\right)\right) \end{pmatrix}} ,

причем Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \beta=\frac{\pi-\left(\alpha_1 + \alpha_2\right)}{2}=\frac{\pi}{2}-\frac{\alpha_1 + \alpha_2}{2}} .

Тогда в мировых координатах

Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_{12}=\begin{pmatrix}\vec{c}_1 & \vec{c}_n\end{pmatrix} \begin{pmatrix} \textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \frac{\alpha_1 + \alpha_2}{2}\right)\textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2}+\frac{\alpha_1 - \alpha_2}{2}\right) \\ \textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \frac{\alpha_1 + \alpha_2}{2}\right)\textrm{sin}\left(\frac{\pi}{2}+\frac{\alpha_1 - \alpha_2}{2}\right) \end{pmatrix} = \textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \frac{\alpha_1 + \alpha_2}{2}\right)\begin{pmatrix}\vec{c}_1 & \vec{c}_n\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -\textrm{sin}\frac{\alpha_1 - \alpha_2}{2} \\ \textrm{cos}\frac{\alpha_1 - \alpha_2}{2} \end{pmatrix}} .

Пусть Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \tau=-\textrm{cos}\left(\frac{\pi}{2} - \frac{\alpha_1 + \alpha_2}{2}\right)} и Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c''}_{12} = \begin{pmatrix}\vec{c}_1 & \vec{c}_n\end{pmatrix} \begin{pmatrix} \textrm{sin}\frac{\alpha_1 - \alpha_2}{2} \\ \textrm{cos}\frac{\alpha_1 - \alpha_2}{2} \end{pmatrix}} .

Тогда Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c'}_{12} = -\tau\vec{c''}_{12}} .

Отсюда

Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c}_{12} = -\frac{\vec{c'}_{12}}{\left|\vec{c'}_{12}\right|}=\frac{\tau\vec{c''}_{12}}{\left|-\tau\vec{c''}_{12}\right|}=\frac{\vec{c''}_{12}}{\left|\vec{c''}_{12}\right|}} ,

а ангулярный радиус будет равен

Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \alpha_{12}=\pi - \beta = \frac{\pi + \alpha_1 + \alpha_2}{2}} .

Во втором случае Невозможно разобрать выражение (MathML с запасными SVG или PNG (рекомендуется для современных браузеров и инструментов повышения доступности): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \vec{c}_1\nparallel\vec\vec{c}_2} , однако ${\vec {c'}}_{1}\|{\vec {c'}}_{2}$.