विभिन्न पैमानों पर गोलाई में दूरी मापने में पाइथोगोरियन प्रमेय बनाम हैवरसिन फॉर्मूला की अनुमानित त्रुटि क्या है?


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कई लोग जब पहली बार दो देशांतर / अक्षांश जोड़े के बीच की दूरी की गणना करने की कोशिश करते हैं तो पूछते हैं कि क्या पाइथागोरस प्रमेय एक उपयुक्त दूरी समारोह के रूप में काम करता है।

ज्यादातर लोग जवाब देते हैं "नहीं, पाइथागोरस प्रमेय केवल एक 2 डी यूक्लिडियन विमान पर काम करता है।" हालांकि, शायद ही, लोग पाइथागोरस प्रमेय के गलत होने पर क्षेत्र पर पैमाने और स्थान के प्रभाव का उल्लेख करते हैं।

मूल विचार बहुत छोटे पैमाने पर होता है, एक गोले की सतह एक विमान की तरह बहुत अधिक दिखती है। बहुत बड़े पैमाने पर, यह सतह के साथ दूरी अधिक घुमावदार है और इसलिए गलत पाइथागोरस प्रमेय और सही हेवेरसिन फॉर्मूला के बीच अंतर अधिक है।

क्या किसी को अंगूठे के एक सूत्र या नियम का पता है जो आपको उस दूरी के पैमाने के आधार पर अंतर बताता है जिसे आप मापने की कोशिश कर रहे हैं?

मुझे लगता है कि इसमें स्पष्ट रूप से मदद मिलेगी:

  1. यह समझना कि पायथागॉरियन प्रमेय क्यों सही नहीं है; तथा
  2. उन लोगों को देने में जो अधिक "असभ्य" दूरियों की तलाश कर रहे हैं, जब पाइथागोरस वास्तव में अपने उद्देश्यों की सेवा करेंगे।

जवाबों:


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अक्षांश और देशांतर में दिए गए पदों पर पाइथागोरसिन सूत्र का उपयोग करना कम समझ में आता है, जैसे कि, किसी वर्ग के लिए सूत्र का उपयोग करके एक वृत्त के क्षेत्रफल की गणना करना: हालाँकि यह एक संख्या का उत्पादन करता है, लेकिन यह मानने का कोई कारण नहीं है कि इसे काम करना चाहिए।

यद्यपि छोटे पैमानों पर कोई भी चिकनी सतह एक विमान की तरह दिखती है, पाइथोगोरियन सूत्र की सटीकता का उपयोग किए गए निर्देशांक पर निर्भर करता है। जब वे निर्देशांक एक क्षेत्र (या दीर्घवृत्त) पर अक्षांश और देशांतर होते हैं, तो हम यह उम्मीद कर सकते हैं

  1. देशांतर की रेखाओं के साथ दूरियाँ यथोचित सटीक होंगी।

  2. भूमध्य रेखा के साथ दूरियां काफी सटीक होंगी।

  3. अक्षांश और देशांतर में अंतर के अनुपात में अन्य सभी दूरियां त्रुटिपूर्ण होंगी।

दूरी की गणना के प्रारंभ और अंत बिंदु पर त्रुटि निर्भर करती है। हालाँकि, क्योंकि दोनों गोले और दीर्घवृत्त धुरी के चारों ओर एक गोलाकार समरूपता है, त्रुटि केवल अनुदैर्ध्य के अंतर पर निर्भर करती है , इसलिए इस त्रुटि का अध्ययन करने के लिए हम मूल मेरियनियन में होने की उत्पत्ति का बिंदु ले सकते हैं। चूँकि गोला और दीर्घवृत्त दोनों एक उत्तर-दक्षिण प्रतिबिंब के तहत सममित हैं, हमें केवल दक्षिणी गोलार्ध में उत्पत्ति के बिंदुओं का अध्ययन करने की आवश्यकता है। ऐसे किसी भी बिंदु के लिए हम रिश्तेदार त्रुटि का एक समोच्च नक्शा खींच सकते हैं, जो कि [पाइथागोरस गणना] / [सही दूरी] के बराबर है।

पाइथागोरसियन सूत्र, पृथ्वी के औसत त्रिज्या का उपयोग करता है

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

जहाँ dx देशांतरों में अंतर होता है और डाई अक्षांशों में, दोनों डिग्री में अंतर होता है। ( एंटिमेरिडियन को पार करते समय dx का सही मान देने के लिए लॉन्गिट्यूड वैल्यू में अंतर modulo 360 घटाया जाता है; ऐसा नहीं करने से कृत्रिम रूप से बड़ी त्रुटियां सामने आएंगी जो हमें खुद पाइथागोरस सूत्र के बारे में कुछ नहीं बताती हैं।)

निम्नलिखित भूखंड WGS 84 ellipsoid पर अक्षांशों के लिए सही दूरी की तुलना में -70 से 0 से 10 डिग्री की वृद्धि में सापेक्ष त्रुटि दिखाते हैं। क्षैतिज निर्देशांक अनुदैर्ध्य में अंतर है और ऊर्ध्वाधर समन्वय गंतव्य का अक्षांश है। प्रकाश क्षेत्रों में अपेक्षाकृत छोटी त्रुटि होती है: समोच्च रेखाएं 1, 1.01, 1.02, 1.05, 1.1, 1.2, 1.5, 2, आदि पर होती हैं (कोनों में शुद्ध सफेद क्षेत्र ऐसे स्थान हैं जहां त्रुटि इन आकृति की सीमा से आगे जाती है ।) लाल बिंदु मूल के बिंदु को दर्शाते हैं।

भूखंड

ऊर्ध्वाधर सफेद बैंड अपेक्षा की शुद्धता के लिए गवाही देते हैं (1): अनुदैर्ध्य में एक छोटे से अंतर होने पर पायथागॉरियन दूरियां सटीक होती हैं। कम अक्षांशों पर क्षैतिज सफेद बैंड अपेक्षा (2) की पुष्टि करते हैं: भूमध्य रेखा के पास, क्षैतिज दूरी काफी सटीक हैं। अन्यथा, जैसा कि व्यापक गहरे क्षेत्रों द्वारा देखा गया है, अन्य सभी दूरी पर पायथागॉरियन सूत्र खराब है।


हम अधिकतम का मात्रात्मक अनुमान लगा सकते हैंपास के बिंदुओं के जोड़े के लिए त्रुटि (भीतर, कहते हैं, एक दूसरे के कुछ सौ किलोमीटर)। स्केल - त्रिज्या के लिए एक उचित मूल्य का उपयोग करना - मेरिडियन के साथ सच है, लेकिन अक्षांश के एक चक्र के साथ यह अक्षांश के सेकंड द्वारा लगभग गलत करता है। उदाहरण के लिए, 40 डिग्री के अक्षांश पर सेकंड 1.31 है, पायथागॉरियन फॉर्मूला लागू करने से पूर्व-पश्चिम दिशा में लगभग 31% बहुत बड़ी दूरी हो जाएगी। (-40 डिग्री अक्षांश पर उत्पत्ति के एक बिंदु के लिए यह ऊपरी दाएं समोच्च भूखंड में स्पष्ट है, जहां लाल डॉट के पूर्व-पश्चिम क्षेत्र में 1.2 और 1.5 आकृति के बीच स्थित है।) अन्य सभी दिशाओं में कम दूरी होगी। 0% और 31% के बीच कुछ राशि से बहुत बड़ा; लंबी दूरी तक और भी अधिक हो सकते हैं (जैसा कि समोच्च भूखंड दिखाते हैं)।


1
इन जैसे उत्तरों के लिए वास्तव में एक 'पसंदीदा उत्तर' कार्यक्षमता होनी चाहिए।
देवदत्त तेंगशे २१'१३

2
@DevdattaTengshe: उन्हें स्पष्ट रूप से समझदार होने की आवश्यकता है: "जहां dx में अनुदैर्ध्य (-180 और 180 के बीच व्यक्त) और रंग में अंतर है, दोनों डिग्री में, अक्षांशों में अंतर है।"
lynxlynxlynx

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वह 2 है, चूंकि 2 * 179 180 से अधिक है?
lynxlynxlynx

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@ वाउचर: मैं यह जानता हूं और आप यह जानते हैं, लेकिन ज्यादातर लोग जो नेत्रहीन पाइथोगोरियन / यूक्लिडियन ज्यामिति का उपयोग करने की कोशिश करते हैं, वे इसके बारे में सोचते या जानते भी नहीं हैं। यदि यह तथ्य (आपको मॉड 360 का उपयोग करना चाहिए) तो आपके उत्तर में मौजूद था।
देवदत्त तेंगशे

1
@ToolmakerSteve यह ठीक है - मैं अक्सर इस सुधार का उपयोग करता हूं - लेकिन उम्मीद है कि इसका उपयोगकर्ता समझता है कि यह एक अनुमान है और बड़ी दूरी और कुछ अन्य परिस्थितियों के लिए यह निशान से बहुत दूर हो सकता है।
whuber

8

मैंने "पायथागोनियन दूरी" की व्याख्या "यूक्लिडियन दूरी" के रूप में की। फिर उत्तर एक ही है "चक्र के जीवा और लम्बे परिधि की लंबाई में क्या अंतर है?" आज्ञा देना त्रिज्या आर, सबटाइटल एंगल है (रेडियन)।

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

पृथ्वी के लिए, स्थानापन्न R = 6400 किमी। वैसे, इसे "महान सर्कल दूरी" (यह क्या है) नहीं "हावरसाइन दूरी" (यह कैसे गणना की जाती है) कहा जाता है। (यह पाइथोगोरियन दूरी और यूक्लिडियन दूरी के बीच अंतर के समान है।)


अपने तर्क के बाद, आप L को आगे स्थानापन्न कर सकते हैं और अनुमान लगा सकते हैं कि केवल A की आवश्यकता है
lynxlynxlynx

क्या आप अपने द्वारा बताई गई अभिव्यक्ति को विस्तृत कर सकते हैं? यह A ^ 3/24 * R कैसे निकला?
जिज्ञासु

एक छोटे से पाप के लिए पाप (ए / 2) का विस्तार करें, पाप (एक्स) = एक्स - एक्स ^ 3/6 का उपयोग करके, और आपको यह परिणाम मिलता है।
cffk

5

पूर्ण और कठोर उत्तर के लिए ऊपर व्हिबर के उत्तर को देखें । मैं अधिक दृश्य और बुनियादी तरीके से जवाब देने जा रहा हूं।

प्लांटर / पाइथागोरस गणना अनुचित क्यों है इसका कारण यह है कि गणना इस तथ्य पर निर्भर करती है कि किसी भी दिशा में एक कदम बढ़ाना एक निरंतर परिवर्तन है, भले ही आप ग्राफ पर हों।

सादा ग्राफ

देशांतर इस आवश्यकता के अनुरूप नहीं है। ध्रुवों पर देशांतर की रेखाएँ मिलती हैं।

अभिसरण दिखा रहा ग्लोब

यही कारण है कि जब हम एक प्लैटर ग्राफ के नियमों को प्रतिबिंबित करने के लिए पृथ्वी को समतल करते हैं तो हमें विकृति आती है।

मर्केटर प्रोजेक्शन मैप

यदि आप उस मानचित्र को देखते हैं तो ऐसा प्रतीत होता है जैसे ग्रीनलैंड अफ्रीका के आकार का है और अंटार्कटिका यूरेशिया के आकार के बारे में है। बेशक यह सच नहीं है। ग्रीनलैंड और अंटार्कटिका दोनों बेहद विकृत हैं क्योंकि वे उन ध्रुवों के करीब हैं जहां देशांतर परिवर्तित होते हैं।

उत्तरी गोलार्ध ग्लोब दृश्य

जैसा कि आप देख सकते हैं कि ग्रीनलैंड लगभग मेक्सिको के आकार का है।

दक्षिणी गोलार्ध दस्ताने दृश्य

और अंटार्कटिका दक्षिणी अफ्रीका (दक्षिण अफ्रीका नहीं) के आकार के बारे में है।

जैसा कि आप देख सकते हैं कि त्रुटियों को लागू करने से आपको पाइथोगोरियन फॉर्मूले पर अधिक निर्भर करेगा जहां अंक अंकों के बीच की दूरी से अधिक हैं। महत्वपूर्ण चेतावनी के साथ कि लंबी दूरी किसी भी त्रुटि को बढ़ाएगी। यही कारण है कि प्लानर समाधान, लुभाते समय, एक खराब विकल्प हैं। विकृतियां आपको काटेंगी और यह एक ऑफसेट की तरह सरल नहीं है। त्रुटियां अनुचित नियमों को फिट करने के लिए पृथ्वी पर वार करने का परिणाम हैं।


दरअसल, जो आप दिखा रहे हैं वह एक अलग प्रकार की त्रुटि है। सही ढंग से उपयोग किया गया, पाइथागोरस प्रमेय आपके द्वारा अक्षांश की रेखा के साथ लंबाई के आधार पर देशांतर दूरी की गणना करता है, इसलिए इससे गुणा किया जाता हैcos(lat) । इस तरह से उपयोग किया जाता है, छोटी दूरी के लिए, कहीं भी एक गोले पर (भले ही एन या एस पोल को छोड़कर) त्रुटियों को छोटा किया जाता है । आप जो दिखा रहे हैं वह पूरी पृथ्वी के प्रक्षेपण की विकृति है, जहां अनिवार्य रूप से कुछ क्षेत्र बेहद विकृत हैं। "त्रुटियां जो आपको मिलेंगी .. उस पर अधिक निर्भर करती हैं .. जहां दूरी से अधिक" उपयोग करने पर सही नहीं है * cos(lat)
टूलमेकरसेव
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