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Raumfüllende Kurve Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
In der Mathematik ist die Hilbert-Kurve eine (stetige) Kurve, die, wie in der nebenstehenden animierten Abb. 1 veranschaulicht, als Grenzkurve von Polygonzügen die Fläche eines Quadrats vollständig ausfüllt. Sie ist eine sogenannte FASS-Kurve, somit eine raumfüllende Kurve (engl. space-filling curve, abgekürzt SFC) und wurde 1891 von dem deutschen Mathematiker David Hilbert entdeckt.[1] Die Möglichkeit, mit einer stetigen eindimensionalen Kurve ein zweidimensionales Gebiet komplett abdecken zu können, war den Mathematikern des neunzehnten Jahrhunderts neu (siehe auch Monsterkurve).
Die Hilbert-Kurve wird durch rekursive Iteration definiert und konstruiert. Die -te Rekursionsstufe wird Hilbert-Kurve der -ten Iteration[2], , und der die Teilquadrate verbindende Polygonzug Hilbert-Polygon der -ten Iteration genannt. Die Hilbert-Kurven und die Hilbert-Polygone endlicher Iterationen haben denselben Grenzwert, nämlich die Hilbert-Kurve im engeren Sinn. Die euklidische Länge des Hilbert-Polygons ist , das heißt, sie wächst mit der Nummer der Iteration über alle Grenzen. Die Hilbert-Kurve hat im Limes eine Hausdorff-Dimension von exakt 2, genau wie das Quadrat.
Mithilfe der Hilbert-Kurve endlicher Iteration kann man die Teilquadrate und mithilfe des Limes die Punkte im Quadrat in eine lineare Reihenfolge bringen, die Hilbert-Ordnung genannt wird. Mit ihr lassen sich (effiziente) Verfahren, die auf einer linearen Ordnung beruhen, ins Mehrdimensionale übertragen. Dazu gehört binäres Suchen, binärer Suchbaum, Skip-Liste und andere.
Beim direkten Zugriff steht die Hilbert-Ordnung in Konkurrenz zu einem Zugriff, bei dem die linearen Ordnungen der Dimensionen in unterschiedlicher Rangigkeit zu einer lexikographischen Ordnung hintereinander geschaltet sind – im internen Speicher über ein mehrfach indiziertes Feld resp. im externen Speicher per wahlfreien Zugriff (Random Access). Wenn sich dies gut organisieren lässt, schneidet sie etwas schlechter ab. Sie ist aber überlegen, wenn es sich um eine ungefähre Suche handelt, an die sich eine sequentielle Suche anschließt, bei der Nachbarschaftsbeziehungen (engl. clustering) vorteilhaft ausgenutzt werden können. Dies ist bei -dimensionalen Räumen , bei denen Nachbarschaft durch die euklidische Metrik definiert ist, häufig der Fall – beispielsweise, wenn auf geographische Merkmale eines Objekts über die Schlüssel Länge und Breite zugegriffen werden soll. Die Hilbert-Kurve ist beliebt aufgrund ihrer guten Nachbarschaftserhaltung.[3][4] Bei der Z-Kurve ist die Rechnung geringfügig einfacher, aber die Nachbarschaftserhaltung deutlich schlechter.[5]
Die Zuordnung der Hilbert-Kurve einer (endlichen) -ten Iteration ist umkehrbar und kann zu beliebiger Feinheit gesteigert werden. Dieses und die gute Nachbarschaftserhaltung hat eine Vielfalt von Anwendungen der Hilbert-Kurve in der Informatik eröffnet, so in der Bildverarbeitung, Datendarstellung, im Hochleistungsrechnen[6] und in anderen Gebieten.[7]
Die Abb. 3a bis 3c aus dem definierenden Artikel[1] zeigen die drei ersten Iterationen der Hilbert-Kurve. Bei der -ten Iteration bringen Nummern die Intervalle (Teilstrecken der Linie oben in den Grafiken) und die Quadrate mit gleichen Nummern zur Entsprechung. Die verstärkten polygonalen Linien bringen genau diese Reihenfolge der Quadrate heraus.[8]
Eine nachfolgende Iteration verfeinert – bei Intervallen wie bei Quadraten – die Schachtelung um den Faktor 4.
Die Konstruktion der Hilbert-Kurve als einer raumfüllenden Kurve
beruht auf einem rekursiven Verfahren:
Eine Hilbert-Kurve wird wesentlich durch die Reihenfolge charakterisiert, in der die Teilgebiete hintereinander aufgesucht (traversiert) werden. Mit wachsender Dimensionszahl wächst die Anzahl der unterschiedlichen Hilbert-Kurven, die sich dann auch in ihrer Nachbarschaftserhaltung stark unterscheiden können.
Dieser Artikel beschränkt sich fast ausschließlich auf die Dimensionszahl , also auf die Abbildung des Einheitsintervalls auf das Einheitsquadrat . Bei dieser Dimensionszahl treten alle einschlägigen mathematischen Phänomene bereits in Erscheinung.
Während die Hilbert-Kurve (auf der Ausgabeseite) ein „Teilquadrat“ durchläuft (füllt), soll auch der Parameter auf der Eingabeseite das ihm entsprechende Teilintervall durchlaufen. Dies entspricht der Vorgabe, dass die Hilbert-Kurve in allen Bereichen »gleich schnell« voranschreitet.
Um dies sicherzustellen, wird als Intervallschachtelung auf der Parameterseite die („4-adische“) Darstellung von im Quaternärsystem mit ewählt.[Anmerkung 2] Es sei gesetzt, so dass
ein Intervall in der -ten Schachtelung des Parameters ist. Auf der Seite des Quadrats (Ausgabeseite) werden die Koordinaten und im Binärsystem („2-adisch“) dargestellt mit . Die (abbrechenden) Koordinaten mit und stehen dabei für das Teilquadrat, das diese Koordinaten zur linken unteren Ecke hat. Und die Folge der durch spezifizierten Quadrate, die die Seitenlänge und die Fläche haben, macht eine 2D-Intervallschachtelung in der Ebene aus. Diese D-Schachtelungen seien als die „Rasterschachtelung“ (der Hilbert-Kurve) bezeichnet.
Die -te Iteration der „Hilbert-Kurve“ ist eine geordnete Folge von an genau einer Quadratseite mit dem Folgequadrat zusammenstoßenden Quadraten (oder deren linken unteren Eckpunkten resp. deren Mittelpunkten). Diese Folge wird am besten durch einen gerichteten Polygonzug von Quadratmittelpunkt
zu Quadratmittelpunkt (Parameter ) verdeutlicht. Dieser Polygonzug enthält alles Wichtige und wird häufig als das Hilbert-Polygon (engl. auch approximating curve[9] und Hilbert pseudo curve) der -ten Iteration bezeichnet (Beispiele finden sich in den Hilbert-Kurven der 1. bis 3. Iteration der obigen Abbildungen).
Im Folgenden wird gezeigt, wie die Quadrate eines Rasters sämtlich in eine Reihenfolge gebracht werden, derart, dass sie bei wachsendem immer kleiner werden, einander näher rücken und im Limes eine Kurve bilden.
Im Sinn des obigen Programms sei rekursiv angenommen, dass in einem Teilquadrat ein Kurvenpunkt der selbstähnlichen Hilbert-Kurve berechnet ist. Es geht nun darum, diesen Punkt (resp. dieses Teilquadrat) so zu den anderen drei Teilquadraten in das Quadrat zu holen, dass alle solche Punkte zusammen genommen eine zusammenhängende Kurve (resp. eine zusammenhängende Folge von Teilquadraten des Rasters ) ergeben. Eine solche Transformation lässt sich zerlegen in:
die Verkleinerung des Quadrats linear um den Faktor , | (Skal) |
eine (die Hilbert-Kurve charakterisierende) Parallelverschiebung und | (Parv) |
eine Isometrie (= orthogonale Abbildung = Drehung und/oder Spiegelung). | (Ausr) |
Für die Wahl der passenden Drehungen und/oder Spiegelungen ist die Festlegung hilfreich, wo ein Quadrat einer Rasterschachtelung von der Kurve betreten und wo es verlassen wird. Bei der Hilbert-Kurve sind dies die Ecken genau einer Quadratseite.[Anmerkung 4] Da es auch auf die Richtung und Orientierung ankommt, werde dieses Charakteristikum eines Quadrats im Raster mit dem Begriff „Ausrichtung“ (engl. orientation[3], state[10]) versehen und die Ausrichtung „hoch—rechts—runter“ (in Koordinaten resp. die Strecke für „Eintritt links unten—Austritt rechts unten“) mit dem Buchstaben gekennzeichnet.[11]
Aber auch die bloße Platzierung des Teilquadrats hängt von der Ausrichtung ab. Ist das große Quadrat (links in der Abbildung 4) gemäß ausgerichtet, dann wird bei der Hilbert-Kurve das Quadrat abhängig von der Quaternärziffer in eines der vier Teilquadrate platziert, und zwar platziert die Quaternärstelle nach links unten, nach links oben, nach rechts oben und nach rechts unten, also nach dem „Grundmuster“ (engl. base pattern[9] oder basic pattern[12]) .[Anmerkung 5][Anmerkung 6] Ein Grundmuster für die 3-dimensionale Hilbert-Kurve ist
(s. a. den Abschnitt Ausblick auf 3 Dimensionen).
Andere Ausrichtungen (als , und auch Platzierungsmuster) lassen sich durch eine vorgeschaltete Isometrie aus der Diëdergruppe des Quadrats darstellen.
Die zur Herstellung des einfachen Zusammenhangs (und damit der Stetigkeit im Limes) erforderlichen Drehungen und/oder Spiegelungen sind ebenfalls Isometrien aus und zusammen mit der Platzierung auszuführen. Diese Kombination wird im folgenden Abschnitt unter dem Begriff „Transformation“ beschrieben.
Um den Wechsel der Ausrichtung von einer Iteration zur nächsten präzise zu erfassen, sei angenommen, dass beide Quadrate, das große (links in der Abbildung 4) wie das Teilquadrat (rechts) gleich, bspw. gemäß , ausgerichtet sind.
Die benötigten vier Transformationen[13][14] hängen von der Quaternärziffer ab und seien mit und bezeichnet:
| |
|
Alle Transformationen skalieren zunächst die übergebenen Koordinaten des Punktes mit dem Faktor , da die Teilquadrate die halbe Seitenlänge haben, und enthalten eine Verschiebung in das durch (s. o.) bestimmte Teilquadrat. Zudem ist von einer Transformation je nach Lage ggf. eine (von abhängige) Viertelrotation, Spiegelung, d. h. eine Kongruenzabbildung durchzuführen:
Ersichtlich sind die Punkte über die sie enthaltenden Quadrate in eine Reihenfolge gebracht, die der Reihenfolge der Intervalle des Parameters entspricht – sowohl bezüglich der 4 Teilquadrate als auch bei den Anschlüssen zwischen zwei Quadraten .
Dabei findet der Übertritt von einem Quadrat zum nachfolgenden Nachbarquadrat immer nur über eine gemeinsame Quadratseite statt (s. kurze blaugrüne Pfeile in der Abbildung 7), sodass sich beim Polygonzug von Quadratmittelpunkt zu Quadratmittelpunkt ausschließlich Teilstrecken gleicher Länge, der Seitenlänge, ergeben, die alle zu den Koordinatenachsen parallel und miteinander in einer linearen Kette verbunden sind – mit der offensichtlichen Konsequenz, dass die Hilbert-Kurve im Limes stetig ist. Die Teilstrecken des Polygons erfahren dabei nur Richtungswechsel .
Die Abbildung 4 zeigt darüber hinaus, dass ausgehend von der Ausrichtung zwei neue (absolute) Ausrichtungen (:= „rechts—hoch—links“) und (:= „links—runter—rechts“) hinzukommen, und die Abbildungen 7 und 5, dass nur noch eine weitere Ausrichtung (:= „runter—links—hoch“), genannt , fehlt, so dass es bei insgesamt vier Ausrichtungen bleibt. Sie seien im Folgenden in der Menge zusammengefasst. Die zugehörige Gruppe der benötigten Isometrien ist eine Untergruppe der Diedergruppe des Quadrats, wird erzeugt von der Drehung um 180° (Spiegelung am Quadratmittelpunkt) und einer Spiegelung an einer Diagonalen, hat also die Gruppenordnung vier, den Exponenten zwei und ist isomorph zur Kleinschen Vierergruppe.
In der Abbildung 5 ist das große Quadrat, das Quadrat der -ten Iteration (= Quadrat des Rasters ), gemäß ausgerichtet – und dementsprechend in seiner Mitte gekennzeichnet. Die relativen Ausrichtungen der Quadrate höherer Iterationen sind rekursiv von Iteration zu Iteration den Regeln dieses Abschnitts entsprechend entwickelt und die Ergebnisse als absolute Ausrichtungen im Zentrum der Quadrate eingetragen. Als solche sind sie auf die initiale (absolute) Ausrichtung, hier , des Ausgangsquadrates bezogen. Die absolute Ausrichtung eines Quadrats ist also die Akkumulation (Komposition, Verkettung) der relativen Ausrichtungen aller seiner rekursiven Vorgänger mit der initialen Ausrichtung am Rekursionsanfang.[Anmerkung 7]
Bemerkung 1
Weil im vorstehenden Abschnitt das Quadrat der Iteration »zeitlich« vor dem großen Quadrat als »vorhanden« angesehen wird, könnte man anzunehmen versucht sein, dass die (Ausrichtungen der) großen Quadrate (links) der höherwertigen Ziffern durch diejenigen späterer Iterationen (rechts) beeinflusst würden. Das Gegenteil ist jedoch der Fall:
Das kann man übrigens schon beim Zeichnen von Hilbert-Polygonen zweier aufeinander folgender Iterationen feststellen, spielt für die Umkehrbarkeit der (s. Abschnitt #Hilbert-Polygon) eine große Rolle und wirkt sich auf die (Art der) Stetigkeit von (s. Abschnitt #Hilbert-Kurve) aus. Diese Abhängigkeit ist in der tabellarischen Abbildung 7 und im gleichwertigen Übergangsdiagramm der Abbildung 8 für alle vier vorkommenden Varianten (= Ausrichtungen) herausgearbeitet. Eine darauf basierende explizite Rekursionsformel für wird im entsprechenden Abschnitt vorgestellt.
In diesem Kapitel wird mit die endliche Iterationsstufe bezeichnet, die Einheitsintervalle und sind oben halboffen, und für , bspw. oder , ist
eine diskrete Menge von Elementen.
Die Zuordnung der Hilbert-Kurve der -ten Iteration ist
Das Bild ist eine diskrete Menge, und zwar ist
Die Koordinaten stehen dabei für linke untere Ecken von Quadraten des Rasters . In graphischen Darstellungen wird die Reihenfolge der Quadrate, deretwegen ja der ganze Aufwand getrieben wird, am einfachsten durch Verbindungsstrecken zwischen den Quadraten sichtbar gemacht. Am deutlichsten wird diese Reihenfolge, wenn man statt der Ecken die Quadratmittelpunkte
nimmt, weil die Verbindungsstrecken verschiedener Iterationsstufen dann getrennt bleiben und Symmetrien klarer herauskommen. Dieser Polygonzug in der Ebene von Quadratmittelpunkt zu Quadratmittelpunkt wird häufig als das Hilbert-Polygon der -ten Iteration bezeichnet.[Anmerkung 8]
Die diskrete Funktion , d. i. die Einschränkung von auf die diskrete Menge , ist umkehrbar und hat die Umkehrfunktion , die im Abschnitt Hilbert-Index behandelt wird. Nach Konstruktion ist ferner
woraus die Implikation
(und im Limes die gleichmäßige Stetigkeit) folgt.
Das Hilbert-Polygon ist eine einfache Kurve mit Anfang, Ende und ohne Berührungen oder Überschneidungen. Wie in der Einleitung erwähnt, hat es die euklidische Länge , die also mit über alle Grenzen wächst. Alle Hilbert-Polygone derselben Iteration sind einander ähnlich.
Die Animation der nebenstehenden Abb. 6 gibt einen Eindruck, wie lang die Wege in höheren Iterationen werden. Sie deutet auch an, wie das Hilbert-Polygon nach und nach den ganzen Ersten Quadranten der -Ebene ausfüllen könnte: Wenn ein Quadrat fertig ist, dann ist der Polygonzug in der Richtung weg vom Ursprung fortzusetzen.
Die Bild- und die Definitionsmenge von lassen sich aufgrund ihrer Diskretheit in einfacher Weise so skalieren, dass sie ganzzahlig werden.
Bei den beiden folgenden Algorithmen t2xyR
und t2xyI
und beim Algorithmus xy2tR
erfolgt die Auswertung (Hintereinanderausführung) der verketteten Transformationen wie bei Operatoren üblich rechts-assoziativ, also von rechts nach links.[Anmerkung 9] Innerhalb des Programms findet die Auswertung im rekursiven Aufstieg – also »auf dem Rückweg« (im hinteren Abschnitt) – statt, weshalb die Auswertungsrichtung als »fein zu grob« zu charakterisieren ist. Damit sich bei dieser Auswertungsrichtung überhaupt etwas ergibt, muss der »Hinweg« abgebrochen werden. Beim wie immer gearteten Abbruchkriterium (im Pseudocode t2xyR
formuliert mit der Genauigkeitsvariablen eps
) wird der Punkt , wie in der Abb. 4 dargestellt, in dasjenige Rasterquadrat gebracht, das dem eingegebenen Teilintervall von entspricht, und dieses Vorgehen wird wiederholt bei jedem iterativen Schritt zurück.
Bemerkung 2
Wie weiter oben schon bemerkt, suggeriert die Abb. 4 eine solche Auswertungsrichtung. Gleichwohl existiert eine Abhängigkeit des -ten Quadrats von Teilen der -sten oder höherer Iterationsstufe überhaupt nicht, weder hinsichtlich der Ziffern (mit ) des Parameters noch hinsichtlich der Ziffern der Koordinaten noch hinsichtlich der Ausrichtung der Quadrate. Wenn es eine Rekursion gibt, dann kann sie in der Richtung von »grob zu fein« aufgesetzt werden, bei der die Auswertung im rekursiven Abstieg erfolgt. Die hieraus hervorgehende Rekursionsformel hat den Vorteil, dass ein »Abbruchkriterium« nicht gebraucht wird. (Ein Ergebnis liegt bei einem Abbruch unmittelbar vor – einschließlich einer Angabe über die möglicherweise eingegangene Ungenauigkeit.) Sie zählt damit zu den potentiell unendlichen Verfahren und wird im Abschnitt #Explizite Rekursionsformel beispielhaft vorgestellt. Der einzige erkennbare Nachteil ist, dass die Eigenschaft der Ausrichtung eines Quadrats explizit gemacht werden muss und nicht in den Formeln für die Transformationen versteckt werden kann.
Der nachfolgende Pseudocode t2xyR
[15] implementiert rekursiv die Abb. 4 mit als Ausrichtung für Zwischen- wie Endergebnis. Er nimmt als Argument einen Parameter und eine Begrenzung eps
der Iterationstiefe. Zurückgegeben werden die Koordinaten der linken unteren Ecke eines Quadrates der -ten Iteration.
Eingabe: | Parameter |
Ausgabe: | Koordinaten |
Auswertungsrichtung: | fein zu grob |
function t2xyR(t, eps) begin
if eps > 1 then
return (0, 0); // im Ergebnisquadrat die linke untere Ecke
else
q = floor(4*t);
// Die Quaternärstelle q ∈ {0, 1, 2, 3} bestimmt,
// in welches Teilquadrat der Punkt gehört
// und wie er zu transformieren ist.
r = 4*t − q;
(x,y) = t2xyR(r, eps*2); // r ∈ I ↦ (x,y) ∈ Q
switch q do
case 0: return (y/2, x/2);
case 1: return (x/2, y/2 + 1/2);
case 2: return (x/2 + 1/2, y/2 + 1/2);
case 3: return (1−eps − y/2, 1/2−eps − x/2);
end switch
end if
end function
Bei der folgenden iterativen Lösung ist die Nummer der Iteration und die Anzahl der 1D-Teilintervalle. Zurückgegeben wird die linke untere Ecke eines Quadrats.
Der folgende Pseudocode t2xyI
hat ganzzahlige Ein-/Ausgabe (d. h. es wird nicht auf Einheitsintervall oder -quadrat skaliert).
Eingabe: | Parameter |
Ausgabe: | Koordinaten |
Auswertungsrichtung: | fein zu grob |
function t2xyI(t, p) begin
(x, y) = (0, 0); // im Ergebnisquadrat die linke untere Ecke
for (m = 1; m < p; m *= 2) do // m wächst exponentiell
rx = 1 & t/2; // Binärziffer[1]: 0=links/1=rechts
ry = 1 & (t ^ rx); // Binärziffer[0]
(x, y) = rot(x, y, rx, ry, m);
x += m * rx;
y += m * ry;
t /= 4; // zur nächsten Quaternärziffer
end for
return (x, y);
end function
// Drehspiegelung eines Quadrates
function rot(x, y, rx, ry, p) begin
if (ry == 0) then
if (rx == 1) then
x = p−1 − x;
y = p−1 − y;
end if
// vertausche x und y
z = x;
x = y;
y = z;
end if
return (x, y);
end function
Hierbei kommen die C-Operatoren ^
für bitweises XOR, &
für bitweises UND, +=
für Inkrementieren, *=2
für Verdoppeln und /=2
für Halbieren zum Einsatz.
In der Funktion t2xyI
bedeutet die Variable rx
das Übereinstimmen des vorletzten Bits bei x
und t
; analog für ry
und y
mit dem letzten Bit.
Die Funktion (und ihre Umkehrung s. u.) benutzen die Funktion rot
, um die Koordinaten x
und y
in einem Teilquadrat so zu spiegeln und zu drehen, dass die Teilstücke konsekutiv (stetig) zusammengefügt werden.
Eingabe: | Parameter |
Ausgabe: | Koordinaten |
Auswertungsrichtung: | grob zu fein |
Ist eine 4-adische Darstellung des Parameters, dann lässt sich die (unendliche) Folge auch als Rekursion[16] über die Quadratmittelpunkte
und die „absolute“ Ausrichtung mit dem Rekursionsanfang
und | |
und | |
Ausrichtung am Rekursionsanfang (= initiale Ausrichtung)[Anmerkung 10][Anmerkung 11] |
und dem Rekursionsschritt
(RFh_ξ), | ||
(RFh_η)[Anmerkung 12] und | ||
(RFh_a) |
für schreiben. Die drei (4×4)-Matrizen
sind äquivalent zu den vier Übersetzungstabellen der Abbildung 7. Sie werden an ihrem ersten Index, dem Zeilenindex, durch die absolute Ausrichtung indiziert. Das Ergebnis ist bei , und jeweils eine vierstellige Zeile, die zusammen genommen eine der Übersetzungstabellen darstellen. Jede Stelle (Spalte) einer solchen Zeile wird durch die Quaternärziffer indiziert. Daraus resultiert (Gl.n RFh_ξ und RFh_η) das neue Ziffernpaar für den Punkt und (Gl. RFh_a) die neue absolute Ausrichtung.
Die Folge der Quadratmittelpunkte mit und , steht für die 2D-Intervallschachtelung
die zum Limes hat.
Beweis der Rekursionsformel |
Die Gleichung RFh_a akkumuliert – wie in der Erläuterung zur Abb. 7 ausgeführt – die relativen Ausrichtungen[17] (Teil Ausr) zwischen Viertelquadrat und großem Quadrat und implementiert damit (zusammen mit der 2D-Intervallschachtelung (Teil Skal) der Gl.n RFh_ξ und RFh_η) die Transformationen und (Teil Parv) des Abschnitts #Transformation der rekursiven Teilquadrate auf das Einheitsquadrat. |
Erläuterungen zu den Abbildungen 7 und 8 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Die oberste der vier Graphiken der Abb. 7, die für die Ausrichtung , ist ein Auszug aus der Abb. 4. Aus der Abb. 5 kann man die Daten zur zweiten und vierten Ausrichtung und direkt ablesen; für die dritte Ausrichtung ergeben sie sich durch Übergang zum 4. Iterationsschritt in der Abb. 5. Da die Abb. 5 anhand der Regeln des Abschnitts #Transformation der rekursiven Teilquadrate auf das Einheitsquadrat erstellt ist, werden diese Regeln auch von der Abb. 7 (und von den Matrizen (s. o.) und den Hypermatrizen (s. u.)) eingehalten. Die vier Graphiken unterscheiden sich hinsichtlich des Charakteristikums Ausrichtung durch eine der Isometrien aus der Gruppe . Anmerkungen
|
Die Funktion hat die Definitionsmenge , die Einschränkung die Definitionsmenge , beide haben die Bildmenge , die eine diskrete Menge ist. Die Funktion ist umkehrbar mit der Umkehrfunktion
welche Hilbert-Index genannt wird. Sie hat ihrerseits die Bildmenge . Unter den Einschränkungen auf die diskreten Mengen resp. sind die Funktionen wie umkehrbar eindeutig und es gilt und .[Anmerkung 14]
Werden ihre Argumente und gleichermaßen als Binärbrüche entwickelt, dann kann man auch beliebige (-stellige) Koordinaten und zulassen, in der zu definierenden Funktion als erstes die Stellen rechts ab der -ten Stelle abschneiden,[Anmerkung 15] sodann ausführen, die Einschränkung auf die diskrete Menge wieder aufheben und somit das ganze Einheitsquadrat zur Definitionsmenge der Funktion
erklären, so dass deren Einschränkung der Funktion vom Eingang des Abschnitts entspricht. Somit ergibt sich für alle sowohl
wie
Die Rückabwicklung der Transformationen und ist in den nachfolgenden Algorithmen im Einzelnen ausgeführt.
Die Auswertungsrichtung des Algorithmus xy2tR
[21] ist entgegen der Intervallschachtelung.
Eingabe: | Koordinaten |
Ausgabe: | Parameter |
Auswertungsrichtung: | fein zu grob |
function xy2tR(x, y, eps) begin
if eps > 1 then
return 0; // im Ergebnisintervall der linke Rand
end if
eps *= 2;
if x < 1/2 then
if y < 1/2 then
return ( 0 + xy2tR(2*y, 2*x, eps) )/4;
else
return ( 1 + xy2tR(2*x, 2*y − 1, eps) )/4;
end if
else
if y >= 1/2 then
return ( 2 + xy2tR(2*x − 1, 2*y − 1, eps) )/4;
else
return ( 3 + xy2tR(1−eps − 2*y, 2−eps − 2*x, eps) )/4;
end if
end if
end function
Auch diese Aufgabe lässt sich iterativ programmieren.
Die iterative Funktion xy2tI
arbeitet in Richtung Schachtelung, in der Binär- oder Quaternärdarstellung also von hochrangigen Ziffern zu niedrigrangigen, geometrisch von einem großen Quadrat zu einem der 4 Teilquadrate. Sie benutzt die bei t2xyI
eingeführte Unterfunktion rot
.
Ist die Nummer der Iteration, dann ist die Anzahl der 1D-Teilintervalle.
Eingabe: | Koordinaten |
Ausgabe: | Parameter |
Auswertungsrichtung: | grob zu fein |
function xy2tI(x, y, p) begin
t = 0; // Summationsanfang
for (p /= 2; p >= 1; p /= 2) do
rx = (x & p) > 0;
ry = (y & p) > 0;
t += p * p * ((3 * rx) ^ ry);
(x, y) = rot(x, y, rx, ry, p);
end for
return t;
end function
Eingabe: | Koordinaten |
Ausgabe: | Parameter |
Auswertungsrichtung: | grob zu fein |
Sind und Darstellungen der Koordinaten im Binärsystem, dann lässt sich die (unendliche) Folge auch als Rekursion mit dem Rekursionsanfang
und | |
(Start mit der initialen Ausrichtung )[Anmerkung 16] |
und dem Rekursionsschritt
(RFk_τ) | ||
(RFk_a) |
für schreiben. Die zwei (4×2×2)-Hypermatrizen
sind zusammen genommen äquivalent zu den vier Übersetzungstabellen der Abbildung 7. Sie werden an ihrem ersten Index durch die absolute Ausrichtung indiziert. Das Ergebnis ist bei wie bei eine (2×2)-Untermatrix. Jedes solche Paar von Untermatrizen stellt eine Übersetzungstabelle dar. Eine Untermatrix wird durch das Binärziffernpaar indiziert. Daraus resultiert (Gl. RFk_τ) die neue Quaternärziffer für den Parameter und (Gl. RFk_a) die neue absolute Ausrichtung .
Beweis der Rekursionsformel für die Umkehrfunktion Hilbert-Index |
Das kleine Quadrat (rechts in der Abb. 4) bekommt gemäß (Gl. RFk_τ) im großen Quadrat eine Nummer , die der (absoluten) Ausrichtung des großen Quadrats sowie der Lage des kleinen Quadrats im großen Quadrat, nämlich den Ziffern , entspricht. Erstere legt fest, welche der 4 Übersetzungstabellen in Abb. 7 anzuwenden ist, und letztere legen fest, ob das kleine Quadrat ins linke untere (bei ), ins linke obere (bei ) etc. Teilquadrat gehört, woraus die Ziffer resultiert. |
Im Limes, also bei exakt , kommt – wie ein Blitz aus heiterem Himmel – ein neues Problem auf, nämlich der plötzliche Verlust der umkehrbaren Eindeutigkeit sowohl bei der 4- wie bei der 2-adischen Darstellung.
Darüber hinaus müssen wegen der Limites anstelle der halboffenen Intervalle und ihre abgeschlossenen Hüllen und betrachtet werden.
Mit den Hilbert-Kurven (und den Hilbert-Polygonen ) lässt sich zu jedem positiven Abstand eine Iterationsstufe angeben, so dass es zu jedem Punkt des Einheitsquadrats einen Punkt des Rasters gibt, der einen kleineren Abstand hat. Das bedeutet aber nicht die vollständige Füllung des Quadrats. Diese kann nur durch den Übergang zum Limes erreicht werden. Der Limes
existiert immerhin, da er aus der 2D-Intervallschachtelung
hervorgeht. Die Konvergenz ist eine gleichmäßige im folgenden Sinn: Für jedes ist so, dass für alle Parameter und alle mit
gilt.
Beweise der Eigenschaften | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
In der Tat ist nicht von vorne herein wohldefiniert, weil beim Übergang von einer reellen Zahl zu ihrer Quaternärentwicklung eine Weggabelung existiert: Zu einem gekürzten Bruch mit Zweierpotenz im Nenner, also zu einem Element [Anmerkung 17], gibt es zwei Möglichkeiten der Darstellung. Beispielsweise hat der Bruch die Darstellung mit einem periodischen 04. …0-Ende (die als die »abbrechende Darstellung« bezeichnet wird, weil sie auch als endliche 4-adische Summe geschrieben werden kann) und die mit einem 04. …3-Ende
Diese Wahlmöglichkeit (Gleichheit) ist bei endlicher Stellenzahl (entspricht hier der Iterationsstufe) nicht gegeben, wo zwei verschiedene Ziffernfolgen immer verschiedene Werte haben; sie stellt aber im Fall die Forderung der Rechtseindeutigkeit an die Relation in Frage. Im Folgenden wird aber gezeigt, dass sie sich nicht auf das Ergebnis von auswirkt.[24]
Da bei jeder Iterationsstufe aus jedem Teilquadrat genau vier kleinere Teilquadrate gemacht werden, überdecken die Teilquadrate einer Iterationsstufe immer das ganze Ausgangsquadrat. Das Teilquadrat wird im Limes zum Kurvenpunkt. Somit füllt die Menge der Kurvenpunkte das ganze Ausgangsquadrat aus.
( kann als surjektive und stetige (s. u.) Funktion von 1D nach 2D nach dem Satz von der Invarianz der Dimension nicht injektiv sein.) Die oben gebildeten zwei 1D-Intervallschachtelungen sind genau dann mehrdeutig, wenn eine der beiden Koordinaten in liegt.[Anmerkung 17] Beispielsweise ist
Jedes Teilquadrat enthält einen Tripel- und einen Quadrupelpunkt und damit abzählbar unendlich viele. Die Menge der Doppelpunkte ist überabzählbar. Zu einem Punkt gibt es maximal vier verschiedene Parameterwerte mit .[1] Zu Bildpunkten gibt es nur ein Urbild.
ist sogar Hölder-stetig[25] (was die gleichmäßige Stetigkeit[13] einschließt), und zwar zum Exponenten mit als der Dimension des Zielraums . bildet zwei benachbarte Intervalle stets auf zwei benachbarte Quadrate (mit gemeinsamer Seite) ab. Und da alle Quadrate späterer Iterationen den früheren treu bleiben (s. Abb. 4), folgt die gleichmäßige Stetigkeit.[Anmerkung 18]
Die Drittelwerte von Ganzzahlen haben in ihrer 4-adischen Darstellung 04.0-, 04.1- oder 04.2-Enden. Durch den Algorithmus werden daraus 02.0- oder 02.1-Enden, also ganze Zahlen. Die Division durch exakte Zweierpotenzen ändert an den periodischen Enden der Darstellungen nichts.
Ist , dann ist ein abbrechender 4-adischer Bruch. Folglich sind auch die Koordinaten zwei abbrechende 2-adische Brüche. Nimmt man für die nicht-abbrechende 4-adische Darstellung mit 0-Ende, dann werden gemäß Abb. 7 bei den Koordinaten auch nur Nullen angehängt, da die Ausrichtungen zwischen und alternieren und bei beiden Ausrichtungen aus der Ziffer die Koordinatenziffern resultieren. Damit ist
Schon für alle gilt aus Symmetriegründen ; genauso . (S. a. den Beweis für denselben Sachverhalt im Abschnitt #Explizite Rekursionsformel.)
ist eine direkte Folge der Transformation . Iteriert ergibt sich .
Der Pseudocode Die Wiederkehr einer Konstellation Die Datenfelder function t2xyQ(tn,td) begin // 0 ≤ tn ≤ td (> 0) if tn = td then return (1,1, 0,1); end if // Ab hier ist stets 0 ≤ tn < td. pos = 0; xp = 0; yp = 0; a = 0; // initiale Ausrichtung key = a+tn*4; // die Konstellation (a,tn) als Schlüssel while not defined(occurs[key]) do occurs[key] = pos; // die Nummer der Stelle mit (a,tn)[Anmerkung 19] ti = floor(tn*4/td); // Quaternärziffer ti: 0 ≤ ti ≤ 3 tn = tn*4 − ti*td; // 0 ≤ tn < td xp = xp*2 + X[a,ti]; // obige Matrix X yp = yp*2 + Y[a,ti]; // obige Matrix Y a = A[a,ti]; // obige Matrix A key = a+tn*4;[Anmerkung 19] pos += 1; end while pl = pos−occurs[key]; // Vielfaches der beiden 2-adischen // Periodenlängen von x und y pot = 2**pl; per = pot−1; xd = per * 2**(pos−pl); // Nenner von x und y xn = xp div pot; // Vorperiode von x xp = xp−xn*pot; // Periode von x xn = xn*per+xp; // Zähler von x yn = yp div pot; // Vorperiode von y yp = yp−yn*pot; // Periode von y yn = yn*per+yp; // Zähler von y return (xn,xd, yn,xd); end function |
Parameter | ||||||||||||||
Mehrfachpunkte
Parameter | |||||||||||||||||||
Da im Limes nicht injektiv ist, ist es auch nicht umkehrbar. Dies ist so, obwohl die diskreten für alle endlichen umkehrbar sind und sowohl wie gilt. Die Nicht-Umkehrbarkeit drückt sich auch darin aus, dass der Limes
nicht existiert an den Punkten, wo eine der beiden Koordinaten oder eine abbrechende Binärdarstellung hat, also in
liegt. Nach der im Beweis der Nicht-Injektivität von gemachten Bemerkung hat genau an diesen Stellen mehr als ein Urbild.
Eine Art Umkehrung kann jedoch auch an diesen Stellen definiert werden durch die Vorschrift, dass die betreffende(n) Koordinate(n) oder/und , wenn sie bei einem Rekursionsschritt genau auf die Mitte eines Intervalls der Schachtelung fallen,
der rechten (der oberen) Intervallhälfte zuzuschlagen und damit als 02. …0-Ende | (Vorschrift „+“ oder ) |
oder
der linken (der unteren) Intervallhälfte und somit als 02. …1-Ende | (Vorschrift „−“ oder ) |
zu behandeln sind. Da stetig ist, erfüllen die so konstruierten Urbilder die Beziehung . Es gibt somit (mindestens) vier verschiedene[Anmerkung 20] Funktionen
die sich an den Stellen unterscheiden, an denen eine der beiden Koordinaten in liegt. An diesen Stellen sind die Funktionen auch nicht stetig.
Eine solche Funktion wird als Rechtsinverse (auch „Koretraktion“) von bezeichnet.[Anmerkung 21] Sie erfüllt die Beziehung
die gleichbedeutend ist mit der Implikation
Beweise der Eigenschaften | ||||||||||||||||
Der Limes der #Rekursionsformel für den Hilbert-Index definiert die Funktion .[Anmerkung 22]
S. Beweis von: ist nicht injektiv.
Eine Rechtsinverse ist injektiv.
haben nur ein Urbild .
(Die Argumentation ist analog zur Eigsch. 5 der Hilbert-Kurve.)
An den Mehrfachpunkten unterscheiden sich mindestens 2 der Funktionen , d. h. linksseitiger oder/und rechtsseitiger Grenzwert. Also ist keine der Funktionen dort stetig.
Wie gezeigt, gibt es mehrere Rechtsinversen . Gemäß Abschnitt Rechtsinverse ist davon keine surjektiv.
(Die Argumentation ist analog zur Eigsch. 9 der Hilbert-Kurve.) Der folgende Pseudocode Die Datenfelder function xy2tQpp(xn,xd, // 0 ≤ xn ≤ xd (> 0) yn,yd) // 0 ≤ yn ≤ yd (> 0) begin pos = 0; tp = 0; a = 0; // initiale Ausrichtung key = a+4*(xn+xd*yn); // die Konstellation (a,xn,yn) als Schlüssel while not defined(occurs[key]) do occurs[key] = pos; // die Nummer der Stelle mit (a,xn,yn) xi = floor(xn*2/xd); // Binärziffer xi: 0 ≤ xi ≤ 2 if xi > 1 then xi = 1; end if xn = xn*2 − xi*xd; // 0 ≤ xn ≤ xd yi = floor(yn*2/yd); // Binärziffer yi: 0 ≤ yi ≤ 2 if yi > 1 then yi = 1; end if yn = yn*2 − yi*yd; // 0 ≤ yn ≤ yd tp = tp*4 + T[a,xi,yi]; // obige Hypermatrix T a = A[a,xi,yi]; // obige Hypermatrix A' key = a+4*(xn+xd*yn);[Anmerkung 23] pos += 1; end while pl = pos−occurs[key]; // die 4-adische Periodenlänge von t pot = 4**pl; per = pot−1; td = per * 4**(pos−pl); // Nenner von t tn = tp div pot; // Vorperiode von t tp = tp−tn*pot; // Periode von t tn = tn*per+tp; // Zähler von t return (tn,td); end function Ersetzt man in diesem Pseudocode die 2 Zeilen xi = floor(xn*2/xd); // Binärziffer xi: 0 ≤ xi ≤ 2 if xi > 1 then xi = 1; end if (die bei xi = ceil(xn*2/xd−1); // Binärziffer xi: −1 ≤ xi ≤ 1 if xi < 0 then xi = 0; end if (die bei |
Punkt | |||||||||
Parameter |
Mehrfachpunkte
Die Hilbert-Kurve kann als Termersetzungssystem (Lindenmayer-System) formuliert werden.[26]
A, B, C, D
↑, →, ↓, ←
A
A ⇒ D ↑ A → A ↓ B
B ⇒ C ← B ↓ B → A
C ⇒ B ↓ C ← C ↑ D
D ⇒ A → D ↑ D ← C
Die Ersetzungsregeln legen fest, welche Ausrichtung (welche Variable) in der nächsten Iteration durch welche Ausrichtung verbunden durch welche Pfeile (Terminale) ersetzt werden sollen.
Die Hilbertkurve ist (bis auf Spiegelungen und Rotationen) die einzige zweidimensionale FASS-Kurve des Quadrats mit Start und Ende an zwei Ecken („vertex-gated“).[27]
Die Hilbert-Kurve nach Moore, kurz: die Moore-Kurve (engl. Moore curve) ist eine geschlossene Form der Hilbert-Kurve. Sie hat dasselbe Grundmuster wie diese. Die Übergänge zwischen den Quadraten wenden sich jedoch sowohl nach außen als auch nach innen. Sie ist genauso raumfüllend und hat sehr ähnliche Nachbarschaftseigenschaften wie die Hilbert-Kurve. Bei den Transformationen kommen alle acht Isometrien vor.
Weitere Kurven auf ähnlicher Konstruktionsbasis wurden gefunden.[28][7]
Die Konstruktionsprinzipien können noch weiter – unter Aufrechterhaltung der stetigen Raumfüllung – gelockert werden. Insbesondere die Aufgabe der Selbstähnlichkeit eröffnet eine Abundanz an Möglichkeiten. Hinweise dazu finden sich im Artikel Raumfüllende Kurve.
Die nebenstehende Abbildung 10 zeigt Grundmuster und erste Iteration der Hilbert-Kurve beta[29] – eines von vielen Beispielen einer -dimensionalen Hilbert-Kurve.
Wie im 2-dimensionalen Fall stehen die verschiedenen Ausrichtungen über Isometrien des in Beziehung zueinander. Wie dort bilden diese Isometrien eine Gruppe, und zwar hier: eine Untergruppe der 48-elementigen Würfelgruppe. Das Beispiel der Abb. 10 zeigt eine Variante mit einer 24-elementigen Isometriengruppe, die zur symmetrischen Gruppe isomorph ist.
Es gibt im 3-dimensionalen Fall signifikant mehr Möglichkeiten für die Konstruktion einer Hilbert-Kurve, die sich durch die „Traversierung“ (engl. traversal, grün in der Abb.) charakterisieren lassen. H. Haverkort[29] klassifiziert alle 3-dimensionalen Hilbert-Kurven und zählt 920 „face-continuous“ (deutsch etwa: Zellen-stetig), bei denen zwei aufeinanderfolgende Nachbarwürfel ein Quadrat (eine -dimensionale Zelle) gemeinsam haben, und insgesamt 10 694 807 verschiedene 3-dimensionale Hilbert-Kurven (p. 20), wobei er auch Grundmuster zulässt, bei denen sich die Nachbarwürfel nur an einer Kante oder Ecke berühren (Figure 13). Er weist auch darauf hin, dass es (wie im 2-dimensionalen Fall) unendlich viele Hilbert-Kurven gibt, wenn man auf Selbstähnlichkeit verzichtet.
In der Abb. 10 ist das Grundmuster des Ausgangswürfels durch den Polygonzug in der Farbe türkis dargestellt. Dieses Grundmuster bringt in der ersten Iterationsstufe die 8 Teilwürfel innerhalb des Ausgangswürfels in eine zusammenhängende Reihenfolge.
In der zweiten Iterationsstufe wiederholt sich zwar dieses Grundmuster pro Teilwürfel, für die Traversierung der Teil-Teilwürfel der zweiten Stufe bleiben dennoch sehr viele Freiheitsgrade, die die Hilbert-Kurve als Ganze charakterisieren. Im Beispiel werden sie durch den grünen Polygonzug festgelegt. Die für die Traversierung erforderlichen Drehungen, Kippungen und/oder Spiegelungen an den 7 inneren Übergangsstellen des Grundmusters kann man anhand der Abb. verifizieren. (Nachbarschaften werden durch die bei der rekursiven Einbettung anfallenden Isometrien nicht geändert.) Bei den Übergängen zwischen den Teilwürfeln (den „gates“[29] S. 13) gibt es weitere Wahlmöglichkeiten. H. Haverkort klassifiziert die gezeigte Hilbert-Kurve beta als „facet-gated“ (deutsch etwa: Zellen-verbunden), weil die (Übergänge an den) Enden der Teilwürfel 0 und 7 im Innern einer Quadratseite liegen. Es gibt aber auch „edge-gated“ (deutsch etwa: Kanten-verbundene) und „vertex-gated“ (deutsch etwa: Ecken-verbundene) Hilbert-Kurven.[Anmerkung 24]
In der Abb. 10 ist in den Teilwürfeln die Transformation eingetragen, die einen Würfel, der gleich wie der Ausgangswürfel ausgerichtet ist, abhängig von der Oktalziffer in den Teilwürfel der Nummer einbettet. Diese Transformation hat vier Komponenten, die Isometrie (gezeigt als Funktion der Koordinaten ), einen additiven Vektor, der die Parallelverschiebung, also das Zentrum des Teilwürfels der Ziffer angibt, die Skalierung um den Faktor und eine Angabe, in welcher Richtung das Grundmuster bei dieser Ziffer einzusetzen ist.
Nach H. Haverkort hat die Hilbert-Kurve beta als (die einzige) Zellen-verbundene (engl. facet-gated curve) hervorragende Nachbarschafts-erhaltende Eigenschaften. Bei 3 von Haverkorts 6 Kriterien („metrics“) steht sie auf Platz eins, bei den anderen 3 auf Platz zwei und ist ≤4 % vom Optimum entfernt (section 7.3 Locality-preserving properties).
Die Faltung des Genoms ähnelt einer dreidimensionalen Hilbert-Kurve.[30]
Hilbert-Kurven lassen sich auch effizient für Räume, die nicht Quadrate sind, implementieren. Durch Variation der »Geschwindigkeit« können unterschiedliche Dichten berücksichtigt werden.
Auch in höheren Dimensionen lassen sich Hilbert-Kurven generieren.[29][31][32]
0≤a,a'<4
ist (a,tn) = (a′,tn′)
gleichbedeutend mit a+4*tn = a′+4*tn′
.0≤a<4
und 0≤xn<xd
folgt aus a+4*(xn+xd*yn) = a′+4*(xn′+xd*yn′)
die Gleichheit der Konstellation (a,xn,yn) = (a′,xn′,yn′)
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