Maximum rectilinear convex subsets

Let P be a set of n points in the plane. We consider a variation of the classical Erd\H os-Szekeres problem, presenting efficient algorithms with O(n3) running time and O(n2) space complexity that compute (1) a subset S of P such that the boundary of the rectilinear convex hull of S has the maximum number of points from P, (2) a subset S of P such that the boundary of the rectilinear convex hull of S has the maximum number of points from P and its interior contains no element of P, (3) a subset S of P such that the rectilinear convex hull of S has maximum area and its interior contains no element of P, and (4) when each point of P is assigned a weight, positive or negative, a subset S of P that maximizes the total weight of the points in the rectilinear convex hull of S. We also revisit the problems of computing a maximum area orthoconvex polygon and computing a maximum area staircase polygon, amidst a point set in a rectangular domain. We obtain new and simpler algorithms to solve both problems with the same complexity as in the state of the art

Problems and applications of Discrete and Computational Geometry concerning graphs, polygons, and points in the plane

Esta tesistratasobreproblemasyaplicacionesdelageometríadiscretay computacional enelplano,relacionadosconpolígonos,conjuntosdepuntos y grafos. Después deunprimercapítulointroductorio,enelcapítulo 2 estudiamos una generalizacióndeunfamosoproblemadevisibilidadenelámbitodela O-convexidad. Dadounconjuntodeorientaciones(ángulos) O, decimosque una curvaes O-convexa si suintersecciónconcualquierrectaparalelaauna orientaciónde O es conexa.Cuando O = {0◦, 90◦}, nosencontramosenel caso delaortoconvexidad,consideradodeespecialrelevancia.El O-núcleo de unpolígonoeselconjuntodepuntosdelmismoquepuedenserconectados con cualquierotropuntodelpolígonomedianteunacurva O-convexa.En este trabajoobtenemos,para O = {0◦} y O = {0◦, 90◦}, unalgoritmopara calcular ymantenerel O-núcleodeunpolígonoconformeelconjuntode orientaciones O rota. Dichoalgoritmoproporciona,además,losángulosde rotación paralosqueel O-núcleotieneáreayperímetromáximos. En elcapítulo 3 consideramos unaversiónbicromáticadeunproblema combinatorioplanteadoporNeumann-LarayUrrutia.Enconcreto,de- mostramos quetodoconjuntode n puntosazulesy n puntosrojosenel plano contieneunparbicromáticodepuntostalquetodocírculoquelos tenga ensufronteracontieneensuinterioralmenos n(1− 1 √2 )−o(n) puntos del conjunto.Esteproblemaestáfuertementeligadoalcálculodelosdiagra- mas deVoronoideordensuperiordelconjuntodepuntos,pueslasaristas de estosdiagramascontienenprecisamentetodosloscentrosdeloscírculos que pasanpordospuntosdelconjunto.Porello,nuestralíneadetrabajo actual enesteproblemaconsisteenexplorarestaconexiónrealizandoun estudio detalladodelaspropiedadesdelosdiagramasdeVoronoideorden superior. En loscapítulos 4 y 5, planteamosdosaplicacionesdelateoríadegrafos 6 7 al análisissensorialyalcontroldeltráficoaéreo,respectivamente.Enel primer caso,presentamosunnuevométodoquecombinatécnicasestadísti- cas ygeométricasparaanalizarlasopinionesdelosconsumidores,recogidas a travésdemapeoproyectivo.Estemétodoesunavariacióndelmétodo SensoGraph ypretendecapturarlaesenciadelmapeoproyectivomediante el cálculodelasdistanciaseuclídeasentrelosparesdemuestrasysunor- malización enelintervalo [0, 1]. Acontinuación,aplicamoselmétodoaun ejemplo prácticoycomparamossusresultadosconlosobtenidosmediante métodosclásicosdeanálisissensorialsobreelmismoconjuntodedatos. En elsegundocaso,utilizamoslatécnicadelespectro-coloreadodegrafos para plantearunmodelodecontroldeltráficoaéreoquepretendeoptimizar el consumodecombustibledelosavionesalmismotiempoqueseevitan colisiones entreellos.This thesisdealswithproblemsandapplicationsofdiscreteandcomputa- tional geometryintheplane,concerningpolygons,pointsets,andgraphs. After afirstintroductorychapter,inChapter 2 westudyageneraliza- tion ofafamousvisibilityproblemintheframeworkof O-convexity. Given a setoforientations(angles) O, wesaythatacurveis O-convex if itsin- tersection withanylineparalleltoanorientationin O is connected.When O = {0◦, 90◦}, wefindourselvesinthecaseoforthoconvexity,consideredof specialrelevance.The O-kernel of apolygonisthesubsetofpointsofthe polygonthatcanbeconnectedtoanyotherpointofthepolygonwithan O-convexcurve.Inthisworkweobtain,for O = {0◦} and O = {0◦, 90◦}, an algorithm tocomputeandmaintainthe O-kernelofapolygonasthesetof orientations O rotates. Thisalgorithmalsoprovidestheanglesofrotation that maximizetheareaandperimeterofthe O-kernel. In Chapter 3, weconsiderabichromaticversionofacombinatorialprob- lem posedbyNeumann-LaraandUrrutia.Specifically,weprovethatevery set of n blue and n red pointsintheplanecontainsabichromaticpairof pointssuchthateverycirclehavingthemonitsboundarycontainsatleast n(1 − 1 √2 ) − o(n) pointsofthesetinitsinterior.Thisproblemisclosely related toobtainingthehigherorderVoronoidiagramsofthepointset.The edges ofthesediagramscontain,precisely,allthecentersofthecirclesthat pass throughtwopointsoftheset.Therefore,ourcurrentlineofresearch on thisproblemconsistsonexploringthisconnectionbystudyingindetail the propertiesofhigherorderVoronoidiagrams. In Chapters 4 and 5, weconsidertwoapplicationsofgraphtheoryto sensory analysisandairtrafficmanagement,respectively.Inthefirstcase, weintroduceanewmethodwhichcombinesgeometricandstatisticaltech- niques toanalyzeconsumeropinions,collectedthroughprojectivemapping. This methodisavariationofthemethodSensoGraph.Itaimstocapture 4 5 the essenceofprojectivemappingbycomputingtheEcuclideandistances betweenpairsofsamplesandnormalizingthemtotheinterval [0, 1]. Weap- ply themethodtoareal-lifescenarioandcompareitsperformancewiththe performanceofclassicmethodsofsensoryanalysisoverthesamedataset. In thesecondcase,weusetheSpectrumGraphColoringtechniquetopro- poseamodelforairtrafficmanagementthataimstooptimizetheamount of fuelusedbytheairplanes,whileavoidingcollisionsbetweenthem