Geometry and Topology of the Minkowski Product

The Minkowski product can be viewed as a higher dimensional version of interval arithmetic. We discuss a collection of geometric constructions based on the Minkowski product and on one of its natural generalizations, the quaternion action. We also will present some topological facts about these products, and discuss the applications of these constructions to computer aided geometric design

Changing representation of curves and surfaces: exact and approximate methods

Το κύριο αντικείμενο μελέτης στην παρούσα διατριβή είναι η αλλαγή αναπαράστασης γεωμετρικών αντικειμένων από παραμετρική σε αλγεβρική (ή πεπλεγμένη) μορφή. Υπολογίζουμε την αλγεβρική εξίσωση παρεμβάλλοντας τους άγνωστους συντελεστές του πολυωνύμου δεδομένου ενός υπερσυνόλου των μονωνύμων του. Το τελευταίο υπολογίζεται απο το Newton πολύτοπο της αλγεβρικής εξίσωσης που υπολογίζεται από μια πρόσφατη μέθοδο πρόβλεψης του συνόλου στήριξης της εξίσωσης. H μέθοδος πρόβλεψης του συνόλου στήριξης βασίζεται στην αραιή (ή τορική) απαλοιφή: το πολύτοπο υπολογίζεται από το Newton πολύτοπο της αραιής απαλοίφουσας αν θεωρίσουμε την παραμετροποίηση ως πολυωνυμικό σύστημα. Στα μονώνυμα που αντιστοιχούν στα ακέραια σημεία του Newton πολυτόπου δίνονται τιμές ώστε να σχηματίσουν έναν αριθμητικό πίνακα. Ο πυρήνα του πίνακα αυτού, διάστασης 1 σε ιδανική περίπτωση, περιέχει τους συντελεστές των μονωνύμων στην αλγεβρική εξίσωση. Υπολογίζουμε τον πυρήνα του πίνακα είτε συμβολικά είτε αριθμητικά εφαρμόζοντας την μέθοδο του singular value decomposition (SVD). Προτείνουμε τεχνικές για να διαχειριστούμε την περίπτωση ενός πολυδιάστατου πυρήνα το οποίο εμφανίζεται όταν το προβλεπόμενο σύνολο στήριξης είναι ένα υπερσύνολο του πραγματικού. Αυτό δίνει έναν αποτελεσματικό ευαίσθητο-εξόδου αλγόριθμο υπολογισμού της αλγεβρικής εξίσωσης. Συγκρίνουμε διαφορετικές προσεγγίσεις κατασκευής του πίνακα μέσω των λογισμικών Maple και SAGE. Στα πειράματά μας χρησιμοποιήθηκαν ρητές καμπύλες και επιφάνειες καθώς και NURBS. Η μέθοδός μας μπορεί να εφαρμοστεί σε πολυώνυμα ή ρητές παραμετροποιήσεις επίπεδων καμπυλών ή (υπερ)επιφανειών οποιασδήποτε διάστασης συμπεριλαμβανομένων και των περιπτώσεων με παραμετροποίηση σεσημεία βάσης που εγείρουν σημαντικά ζητήματα για άλλες μεθόδους αλγεβρικοποίησης. Η μέθοδος έχει τον εξής περιορισμό: τα γεωμετρικά αντικείμενα πρέπει να αναπαριστώνται από βάσεις μονωνύμων που στην περίπτωση τριγωνομετρικών παραμετροποιήσεων θα πρέπει να μπορούν να μετασχηματιστούν σε ρητές συναρτήσεις. Επιπλέον η τεχνική που προτείνουμε μπορεί να εφαρμοστεί σε μη γεωμετρικά προβλήματα όπως ο υπολογισμόςτης διακρίνουσας ενός πολυωνύμου με πολλές μεταβλητές ή της απαλοίφουσας ενός συστήματος πολυωνύμων με πολλές μεταβλητές.The main object of study in our dissertation is the representation change of the geometric objects from the parametric form to implicit. We compute the implicit equation interpolating the unknown coefficients of the implicit polynomial given a superset of its monomials. The latter is derived from the Newton polytope of the implicit equation obtained by the recently developed method for support prediction. The support prediction method we use relies on sparse (or toric) elimination: the implicit polytope is obtained from the Newton polytope of the sparse resultant of the system in parametrization, represented as polynomials. The monomials that correspond to the lattice points of the Newton polytope are suitably evaluated to build a numeric matrix, ideally of corank 1. Its kernel contains their coefficients in the implicit equation. We compute kernel of the matrix either symbolically, or numerically, applying singular value decomposition (SVD). We propose techniques for handling the case of the multidimensional kernel space, caused by the predicted support being a superset of the actual. This yields an efficient, output-sensitive algorithm for computing the implicit equation. We compare different approaches for constructing the matrix in Maple and SAGE software. In our experiments we have used classical algebraic curves and surfaces as well as NURBS. Our method can be applied to polynomial or rational parametrizations of planar curves or (hyper)surfaces of any dimension including cases of parameterizations with base points which raise important issues for other implicitization methods. The method has its limits: geometric objects have to be presented using monomial basis; in the case of trigonometric parametrizations they have to be convertible to rational functions. Moreover, the proposed technique can be applied for nongeometric problems such as the computation of the discriminant of a multivariate polynomial or the resultant of a system of multivariate polynomials

Generalized plane offsets and rational parameterizations

In the first part of the paper a planar generalization of offset curves is introduced and some properties are derived. In particular, it is seen that these curves exhibit good regularity properties and a study on self-intersection avoidance is performed. The representation of a rational curve as the envelope of its tangent lines, following the approach of Pottmann, is revisited to give the explicit expression of all rational generalized offsets. Other famous shapes, such as constant width curves, bicycle tire-tracks curves and Zindler curves are related to these generalized offsets. This gives rise to the second part of the paper, where the particular case of rational parameterizations by a support function is considered and explicit families of rational constant width curves, rational bicycle tire-track curves and rational Zindler curves are generated and some examples are shown

Computing the topology of a plane or space hyperelliptic curve

International audienceWe present algorithms to compute the topology of 2D and 3D hyperelliptic curves. The algorithms are based on the fact that 2D and 3D hyperelliptic curves can be seen as the image of a planar curve (the Weierstrass form of the curve), whose topology is easy to compute, under a birational mapping of the plane or the space. We report on a Maple implementation of these algorithms, and present several examples. Complexity and certification issues are also discussed

Le contrôle des inflexions et des extremums de courbure portés par les courbes et les surfaces B-Splines

RÉSUMÉ Le contrôle des propriétés différentielles des courbes et des surfaces B-splines est un enjeu important, en particulier pour le domaine de la conception géométrique assistée par ordinateur. Un enjeu qui sollicite autant les méthodes analytiques que numériques dans le but de permettre au concepteur de manipuler les formes avec une aisance toujours croissante. Ce texte explore les possibilités offertes lorsqu'on combine des méthodes numériques de pointe aux travaux de grands géomètres du 19e siècle. Ainsi, de nouveaux algorithmes pour l’optimisation sous contraintes des B-splines ont été développés. Ensuite, ces algorithmes ont été combinés à la théorie des groupes de transformations comme elle a été développée à l’origine par des pionniers comme Sophus Lie, Gaston Darboux et Felix Klein. Ceci permet d’ouvrir des portes vers de nouveaux horizons. Il devient possible de générer de larges espaces de formes sur lesquels on contrôle les propriétés différentielles. Il devient également possible d’éliminer des oscillations de façon sélective ou de manipuler les formes sans introduire d’oscillations indésirables. Avant de progresser vers cet objectif ambitieux, il faut d’abord être en mesure de bien comprendre et de bien visualiser ces propriétés différentielles que l’on souhaite contrôler. L’histoire de la géométrie différentielle classique des courbes et des surfaces est très riche. Cette histoire est revisitée avec une perspective nouvelle. Soit la perspective du contrôle des inflexions et des extremums de courbure. Ceci permet de faire émerger des liens importants entre la géométrie différentielle, la théorie des singularités, les groupes de transformations et l’optique géométrique. Ensuite viennent les algorithmes d’optimisation des B-splines sous contraintes. Les variables indépendantes sont les positions des points de contrôle de la B-spline alors que les contraintes portent sur la position des points de contrôle d’une fonction qui représente les propriétés différentielles de la B-spline. Les algorithmes sont d’abord développés pour les fonctions B-splines à une et deux variables. Une fois ces algorithmes développés, plusieurs possibilités nouvelles s’offrent à nous. Il devient possible, par exemple d’obtenir la courbe qui s’approche le plus d’une autre courbe quelconque sous la contrainte de posséder certaines propriétés différentielles. De cette manière, il devient possible de travailler avec un plus grand nombre de points de contrôle et ainsi dans un espace de forme plus riche sans avoir à se soucier d’oscillations arbitraires. Ceci permet en particulier d’éliminer de façon sélective des oscillations indésirables sur des profils aérodynamiques.----------ABSTRACT Control of B-spline differential properties is an important stake, especially for the field of computer-aided geometric design. An issue that calls for analytical and numerical skills to allow the designer to manipulate shapes in an increasingly efficient way. This text explores possibilities offered by combining new numerical methods with works of 19th century great geometers. Thus, new algorithms for constrained optimization of B-splines are selected and then grafted to the group theory of transformations as it was originally developed by pioneers such as Sophus Lie, Gaston Darboux and Felix Klein. This opens doors to new horizons. It becomes possible to generate large spaces of shapes with a control over their differential properties. This also gives us a selective eraser of curvature extrema and the option to manipulate shapes without introducing undesirables oscillations. Before progressing towards this ambitious goal, one must first be able to understand and visualize these differential properties that one wishes to control. This rich history of the classical differential geometry is revisited with a new perspective. This new perspective is the one of the control of inflections and extrema of curvature. A perspective that allows to establish important links between differential geometry, the theory of singularities, groups of transformations and geometric optics. Next comes the B-splines optimization algorithms with constraints. The independent variables are the B-spline position of the control points, while the constraints are applied to the control points of a function which represents the differential properties of the B-spline. The algorithms are first developed for B-spline functions. Once these algorithms have been developed, several new possibilities open up to us. It becomes possible, for example, to find the closest curve to another one under specified differential properties. This particular algorithm is introduced as an extension to the standard B-spline least squares method to approximate a series of points. The extension consists in adding constraints to produce curve segments with monotonously increasing or decreasing curvature. The interior point method is used to solve the constrained optimization problem. The method requires gradients and those are provided by symbolic B-spline operators. Therefore, the algorithm relies on the arithmetic, differential and variation diminishing properties of the Bsplines to apply the constraints. Thereby, it becomes possible to work with a greater number of control points and thus in a richer shape space without having to manage undesired oscillations

Estudio dispersivo de mesones ligeros

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Física Teórica, leída el 18-10-2019Quantum Chromodynamics (QCD) is the fundamental theory that explains the strong interactions between quarks and gluons. Unfortunately, the fact that QCD is asymptotically free at short distances produces the confinement of quarks at low energies, creating the well known hadrons, which are then appropriate the degrees of freedom to extract information from. In order to overcome this difficulty, Weinberg introduced in 1979 [1] Chiral Perturbation Theory (ChPT). This is an effective field theory that considers the octet of pseudo-goldstone bosons (pions, kaons and eta) produced by the chiral symmetry breaking as the degrees of freedom and provides a systematiclow-energy expansion for the observables. Nevertheless, ChPT is not able to determine with high accuracy the low energy parameters of the meson-meson interactions, besides, its series expansion does not respect unitarity, and hence can only be applied very close to threshold...La Cromodinámica Cuántica (QCD) es la teoría fundamental que explica la interacción fuerte entre quarks y gluones. Sin embargo, el hecho de que (QCD) muestra una libertad asintótica a distancias muy pequeñas también implica que quarks y gluones se encuentran confinados a baja energía, formando los conocidos hadrones, por tanto estos pasan a ser los grados de libertad a traves de los cuales extraer información. Es por esto que Weinberg introdujo en 1979 [1] la Teoría de Perturbaciones Quiral (ChPT). Esta es una teoría efectiva que considera el octete de pseudo-bosones goldstone (piones, kaones y eta) producidos por la ruptura espontánea de la simetría Qiral como grados de libertad y proporciona una expansión sistemática de los observables a baja energía. Sin embargo, esta no puede determinar con la precisión necesaria las constantes de baja energía, a parte de no respetar principios fundamentales como la unitariedad, por lo que en principio sólo puede ser aplicada a energías en torno al umbral de interacción...Depto. de Física TeóricaFac. de Ciencias FísicasTRUEunpu