อะไรคือข้อผิดพลาดโดยประมาณของสูตรทฤษฎีบทพีทาโกรัสกับทฤษฎีฮาวาซีนในการวัดระยะทางบนทรงกลมในระดับต่างๆ


30

หลายคนเมื่อพยายามคำนวณระยะทางระหว่างคู่ลองจิจูด / ละติจูดสองคู่ถามว่าทฤษฎีบทพีทาโกรัสทำงานเป็นฟังก์ชันระยะทางที่เหมาะสมหรือไม่

คนส่วนใหญ่มักตอบว่า "ไม่ทฤษฎีบทพีทาโกรัสทำงานบนระนาบแบบยุคลิดแบบ 2D เท่านั้น" อย่างไรก็ตามคนแทบจะไม่พูดถึงผลกระทบของขนาดและที่ตั้งบนทรงกลมว่าเป็นทฤษฎีบทพีทาโกรัสที่ไม่ถูกต้องอย่างไร

แนวคิดพื้นฐานที่มีขนาดเล็กมากพื้นผิวของทรงกลมดูเหมือนเครื่องบิน ในระดับที่มีขนาดใหญ่มากมันมีระยะทางตามพื้นผิวโค้งมากขึ้นดังนั้นความแตกต่างระหว่างทฤษฎีบทพีทาโกรัสที่ไม่ถูกต้องและสูตรฮาวาซีนที่ถูกต้องยิ่งใหญ่กว่า

ไม่มีใครรู้สูตรหรือกฎง่ายๆที่บอกคุณถึงความแตกต่างระหว่างการวัดระยะทางสองแบบตามระดับของระยะทางที่คุณพยายามวัด

ฉันคิดว่าการมีสิ่งนี้อย่างชัดเจนจะช่วยใน:

  1. อธิบายว่าทำไมทฤษฎีบทพีทาโกรัสจึงไม่สมบูรณ์แบบ และ
  2. ในการปล่อยให้คนที่กำลังมองหาระยะทาง "หยาบ" มากขึ้นรู้ว่าเมื่อใดพีธากอรัสจะตอบสนองวัตถุประสงค์ของพวกเขา

คำตอบ:


34

การใช้สูตร Pythagorean ในตำแหน่งที่ให้ไว้ในละติจูดและลองจิจูดนั้นใช้ความรู้สึกเพียงเล็กน้อยเช่นการคำนวณพื้นที่ของวงกลมโดยใช้สูตรสำหรับสแควร์: แม้ว่ามันจะสร้างตัวเลขขึ้นมา แต่ก็ไม่มีเหตุผลที่จะคิดว่ามันควรจะทำงาน

แม้ว่าเกล็ดขนาดเล็กผิวเรียบจะดูเหมือนเครื่องบิน แต่ความแม่นยำของสูตรพีทาโกรัสนั้นขึ้นอยู่กับพิกัดที่ใช้ เมื่อพิกัดเหล่านั้นเป็นละติจูดและลองจิจูดบนทรงกลม (หรือทรงรี) เราสามารถคาดหวังได้

  1. ระยะทางตามแนวเส้นแวงจะมีความแม่นยำอย่างสมเหตุสมผล

  2. ระยะทางตามเส้นศูนย์สูตรจะมีความแม่นยำพอสมควร

  3. ระยะทางอื่น ๆ ทั้งหมดจะผิดพลาดในสัดส่วนคร่าวๆกับความแตกต่างของละติจูดและลองจิจูด

ข้อผิดพลาดขึ้นอยู่กับจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของการคำนวณระยะทาง อย่างไรก็ตามเนื่องจากทั้งทรงกลมและทรงรีมีความสมมาตรเป็นวงกลมรอบแกนข้อผิดพลาดขึ้นอยู่กับความแตกต่างของ longitudes เท่านั้นดังนั้นเพื่อศึกษาข้อผิดพลาดนี้เราอาจใช้จุดกำเนิดอยู่ที่ Prime Meridian เนื่องจากทั้งทรงกลมและทรงรีมีความสมมาตรภายใต้เงาสะท้อนเหนือ - ใต้เราจึงต้องศึกษาจุดกำเนิดในซีกโลกใต้เท่านั้น สำหรับประเด็นดังกล่าวเราอาจวาดแผนที่รูปร่างของข้อผิดพลาดสัมพัทธ์เท่ากับ [การคำนวณพีทาโกรัส] / [ระยะทางจริง]

สูตรของพีทาโกรัสที่ใช้รัศมีเฉลี่ยของโลกคือ

Pythagorean distance =  6371000. * Sqrt[dx^2 + dy^2]] * pi / 180 meters

โดยที่dxคือความแตกต่างใน longitudes และdyคือความแตกต่างในละติจูดทั้งในองศา (ความแตกต่างของค่าลองจิจูดลดลงโมดูโล 360 เพื่อให้ค่าที่ถูกต้องของdxเมื่อข้าม antimeridian; การทำเช่นนั้นจะไม่แนะนำข้อผิดพลาดที่มีขนาดใหญ่เทียมที่บอกเราเกี่ยวกับสูตรของพีทาโกรัสเอง)

พล็อตต่อไปนี้แสดงข้อผิดพลาดสัมพัทธ์เมื่อเทียบกับระยะทางที่ถูกต้องของ WGS 84 ellipsoid สำหรับละติจูดตั้งแต่ -70 ถึง 0 โดยเพิ่มขึ้นทีละ 10 องศา พิกัดแนวนอนคือความแตกต่างของลองจิจูดและพิกัดแนวตั้งคือละติจูดของปลายทาง พื้นที่แสงมีข้อผิดพลาดค่อนข้างน้อย: เส้นชั้นความสูงอยู่ที่ 1, 1.01, 1.02, 1.05, 1.1, 1.2, 1.5, 2, ฯลฯ (พื้นที่สีขาวบริสุทธิ์ในมุมเป็นสถานที่ที่ข้อผิดพลาดเกินขอบเขตของรูปทรงเหล่านี้ .) จุดสีแดงแสดงจุดกำเนิด

พล็อต

แถบสีขาวแนวตั้งเป็นเครื่องยืนยันถึงความถูกต้องของความคาดหวัง (1): ระยะทางของพีทาโกรัสนั้นแม่นยำเมื่อมีความยาวต่างกันเล็กน้อย แถบสีขาวแนวนอนที่ละติจูดต่ำแสดงถึงความคาดหวัง (2): ใกล้กับเส้นศูนย์สูตร มิฉะนั้นเป็นพยานภูมิภาคเข้มอย่างกว้างขวางในทุกระยะทางอื่น ๆ สูตรพีทาโกรัสจะไม่ดี


เราสามารถทำการประเมินเชิงปริมาณได้สูงสุดเกิดข้อผิดพลาดสำหรับคู่ของจุดที่อยู่ใกล้เคียง (ภายในพูดกันสองสามร้อยกิโลเมตรจากกัน) สเกล - การใช้ค่าที่เหมาะสมสำหรับรัศมีนั้นเป็นจริงตามแนวเส้นเมริเดียน แต่ตามวงกลมของละติจูดนั้น ตัวอย่างเช่นที่ละติจูด 40 องศาเซแคนต์คือ 1.31 หมายความว่าสูตรพีทาโกรัสจะให้ระยะทางประมาณ 31% ใหญ่เกินไปในทิศทางตะวันออก - ตะวันตก (เห็นได้ชัดในพล็อตเส้นโครงด้านบนขวาสำหรับจุดกำเนิดที่ละติจูด -40 องศาซึ่งพื้นที่ทางตะวันออก - ตะวันตกทันทีของจุดสีแดงอยู่ระหว่าง 1.2 และ 1.5 เส้นโค้ง) ระยะทางสั้น ๆ ในทิศทางอื่นทั้งหมดจะเป็น ใหญ่เกินไประหว่าง 0% ถึง 31%; ระยะทางไกลกว่าอาจผิดพลาดได้มากกว่าเดิม (ดังแสดงในแผนผังเส้นชั้นความสูง)


1
จำเป็นต้องมีฟังก์ชั่น 'คำตอบที่โปรดปราน' จริงๆสำหรับคำตอบเช่นนี้
Devdatta Tengshe

2
@DevdattaTengshe: เขาต้องการให้มีสติ: "โดยที่ dx คือความแตกต่างของลองจิจูด (แสดงระหว่าง -180 ถึง 180) และ dy คือความแตกต่างของละติจูดทั้งในระดับ"
lynxlynxlynx

1
นั่นคือ 2 เนื่องจาก 2 * 179 มากกว่า 180?
lynxlynxlynx

1
@whuber: ฉันรู้สิ่งนี้และคุณรู้เรื่องนี้ แต่คนส่วนใหญ่ที่พยายามใช้เรขาคณิต Pythagorean / Euclidean ไม่ต้องคิดหรือรู้เกี่ยวกับมัน มันจะช่วยได้หากข้อเท็จจริงนี้ (คุณควรใช้ Mod 360) มีอยู่ในคำตอบของคุณ
Devdatta Tengshe

1
@ToolmakerSteve ไม่เป็นไร - ฉันมักจะใช้การแก้ไขนี้ - แต่หวังว่าผู้ใช้จะเข้าใจว่ามันเป็นการประมาณและสำหรับระยะทางขนาดใหญ่
whuber

8

ฉันตีความ "ระยะทางพีทาโกเนนัน" เป็น "ระยะทางแบบยุคลิด" จากนั้นคำตอบก็เหมือนกับ "ความแตกต่างระหว่างความยาวของคอร์ดของวงกลมกับเส้นรอบวงที่แปรปรวนคืออะไร" ให้รัศมีเป็น R มุมที่ถูกย่อคือ A (เรเดียน)

perimeter = L = A*R
chord = C = 2*sin(A/2)*R
diff = D = L - C
     = (A-2*sin(A/2))*R
     = A^3/24 * R  (for A small)
     = L^3/(24*R^2) (eliminating A)
relative error = D/L
               = (L/R)^2/24

สำหรับโลกทดแทน R = 6400 km โดยวิธีการที่เรียกว่า "ระยะทางวงกลมใหญ่" (มันคืออะไร) ไม่ใช่ "ระยะทาง haversine" (วิธีคำนวณ) (นี่คล้ายกับความแตกต่างระหว่างระยะทางพีทาโกรัสและระยะทางแบบยุคลิด)


จากการให้เหตุผลของคุณคุณสามารถทดแทน L และทำการประมาณค่าได้เพียง A.
lynxlynxlynx

คุณช่วยอธิบายการแสดงออกที่คุณจบลงได้อย่างไร A ^ 3/24 * R นี้ออกมาได้อย่างไร
อยากรู้อยากเห็น

ขยาย sin (A / 2) สำหรับ A small โดยใช้ sin (x) = x - x ^ 3/6 และคุณจะได้รับผลลัพธ์นี้
cffk

5

สำหรับคำตอบที่สมบูรณ์และเข้มงวดให้ดูที่คำตอบของ whuber ที่ด้านบน ฉันจะตอบด้วยวิธีที่มองเห็นและเข้าใจง่ายขึ้น

เหตุผลที่การคำนวณภาพถ่ายระนาบ / พีทาโกรัสนั้นไม่เหมาะสมเป็นเพราะการคำนวณขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าการเคลื่อนที่เพียงขั้นตอนเดียวในทิศทางใดทิศทางหนึ่งคือการเปลี่ยนแปลงของขนาดคงที่ไม่ว่าคุณจะอยู่ที่ใดบนกราฟ

กราฟธรรมดา

ลองจิจูดไม่สอดคล้องกับข้อกำหนดนี้ เส้นลองจิจูดมาบรรจบกันที่เสา

โลกแสดงการบรรจบกัน

นั่นคือเหตุผลที่เมื่อเราแบนโลกเพื่อสะท้อนกฎของกราฟระนาบที่เราได้รับการบิดเบือน

แผนที่ฉาย Mercator

ถ้าคุณดูแผนที่นั้นมันจะปรากฏขึ้นราวกับว่ากรีนแลนด์มีขนาดประมาณแอฟริกาและแอนตาร์กติกามีขนาดเท่ากับยูเรเซีย แน่นอนว่าไม่เป็นความจริง กรีนแลนด์และแอนตาร์กติกามีความเพี้ยนอย่างมากเพราะอยู่ใกล้กับเสาที่ลองจิจูดมาบรรจบกัน

มุมมองโลกซีกโลกเหนือ

อย่างที่คุณเห็นกรีนแลนด์มีขนาดประมาณเม็กซิโก

มุมมองถุงมือซีกโลกใต้

และแอนตาร์กติกามีขนาดประมาณของแอฟริกาตอนใต้ (ไม่ใช่แอฟริกาใต้)

ในขณะที่คุณสามารถดูข้อผิดพลาดที่คุณจะได้รับการใช้สูตร Pythagorean ขึ้นอยู่กับว่าจุดใดเป็นระยะทางระหว่างจุดต่าง ๆ ด้วยข้อแม้ที่สำคัญที่ระยะทางไกลจะขยายข้อผิดพลาดใด ๆ นี่คือเหตุผลว่าทำไมการแก้ปัญหาภาพถ่ายแนวราบในขณะที่ล่อลวงเป็นตัวเลือกที่ไม่ดี การบิดเบือนจะกัดคุณและมันก็ไม่ง่ายเหมือนการชดเชย ข้อผิดพลาดเป็นผลมาจากการแปรปรวนของโลกเพื่อให้พอดีกับกฎที่ไม่เหมาะสม


ที่จริงแล้วสิ่งที่คุณกำลังแสดงนั้นเป็นข้อผิดพลาดประเภทอื่น ใช้อย่างถูกต้องพีทาโกรัสทฤษฎีบทคำนวณเส้นแวงระยะทางขึ้นอยู่กับความยาวตามแนวเส้นรุ้งที่คุณอยู่ที่เพื่อให้คูณด้วย cos(lat)ใช้วิธีนี้ข้อผิดพลาดมีขนาดเล็กสำหรับระยะทางเล็ก ๆทุกที่บนทรงกลม (ยกเว้นถ้าผ่าน N หรือ S) สิ่งที่คุณแสดงคือการบิดเบี้ยวของการฉายภาพของทั้งโลกโดยที่บางภูมิภาคมีการบิดเบือนอย่างมหาศาล "ข้อผิดพลาดที่คุณจะได้รับขึ้นอยู่ .. เพิ่มเติมเกี่ยวกับที่ .. กว่าระยะทางที่" * cos(lat)ไม่เป็นความจริงถ้าใช้
ToolmakerSteve
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.