Malen mit Zahlen, Teil RS3 – Transformierte Objekte

In Teil RS2 haben wir Objekte als Drahtgitter-Modelle fix im Raum dargestellt. In diesem Teil sollen diese Objekte mithilfe der Matrizen aus Teil 2 animiert werden (s. Abb. 1).

Abb. 1: Animation einiger Drahtgitter-Modelle mit Hilfe von Matrizen. Die roten, grünen und blauen Linien sind die lokalen x-, y- bzw. z-Achsen der einzelnen Modelle.
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Wie weit kann der Median vom Mittelwert abweichen?

Unlängst haben wir uns gefragt: »Wie weit können Messwerte vom Mittelwert abweichen?« Dieses Mal diskutieren wir den Median und seine Eigenschaften. Wir werden zeigen, dass der Abstand des Medians m zum Mittelwert \bar{x} immer kleiner oder gleich der Standardabweichung s_n ist:

\boxed{\lvert m-\bar{x}\rvert\leq s_n} .

(Im Rahmen dieses Beitrags nehmen wir an, dass die Messwerte zumindest intervallskaliert sind.)

Unterwegs werden wir dabei zwei wichtige Ungleichungen besprechen.

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COVID-19 in Österreich

Stand: 2020-07-08 18:00

Neben vielen anderen habe ich auch den COVID-19-Ausbruch weltweit verfolgt und die Zahlen für Österreich analysiert. Das Ergebnis zeigt die folgende Abb. und wird jeden Tag aktualisiert.

Nachdem auf info.gesundheitsministerium.at die Daten nachträglich immer ein bisschen geändert werden, habe ich sie ab dem 8.3. (13. Tag) jetzt nachgetragen und werde das auch weiter so machen. (Ist etwas nervig, weil die Zahlen immer wieder fast bis zu Beginn zurück geändert werden.)

Abb. 1: Kummulierte Zahl positiver Tests.

Abb. 1 zeigt die Gesamtzahl bisheriger positiver Tests. Ich habe zu Beginn verschiedene Wachstumskurven an die Daten angepasst, aber es gibt kein einheitliches und einfaches Modell, um sie alle zu beschreiben. Von Mitte April bis Ende Juni war das Wachstum ziemlich linear. Danach sind die Fallzahlen aber wieder gestiegen.

Das sieht man auch in Abb. 2, weil nach Abzug der Genesenen und Verstorbenen die Anzahl der momentan positiv Getesteten wieder zunimmt.

Abb. 2: Anzahl der momentan positiv Getesteter.

Es wird spannend, wie es weitergeht. Gegessen ist die Sache jedenfalls noch nicht.

Malen mit Zahlen, Teil 2 – Transformationen und Matrizen

Auch dieser Teil ist wieder gemeinsam für Rasterung/Schattierung und Raytracing.

Um Objekte im Raum zu platzieren, müssen wir die Koordinaten ihrer Eckpunkte angeben. Für ein kompliziertes Objekt aus vielen Punkten, das irgendwie im Raum verdreht ist, kann das kompliziert werden. Meistens ist es einfacher, die Punkte des Objekts in einer »Standardlage« anzugeben. Von dort aus können wir es in die gewünschte Lage »transformieren«.

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Komplexe Zahlen, Teil 8 – räumliche Schwingungen und Wellen

In Teil 6 der komplexen Zahlen und den bisherigen Teilen zur Fourier-Reihe haben wir uns mit zeitabhängigen Sinus-Funktionen, also zeitlichen Schwingungen, beschäftigt. In diesem Teil soll es um räumliche Schwingungen gehen – in einer und mehr Dimensionen. Den Abschluss bilden dann harmonische Wellen, also Schwingungen, die sich mit der Zeit im Raum ausbreiten.

Abb. 1 zeigt noch einmal eine sinusförmige Schwingung in der Zeit. Wir können sie uns als die Projektion eines rotierenden Zeigers vorstellen, dessen Winkel von der Zeit t abhängt.

Abb. 1: eine sinusförmige Schwingung in der Zeit.

Räumliche Schwingungen in 1D

Wir könnten uns aber auch vorstellen, dass der Winkel des Zeigers nicht von der Zeit t, sondern vom Ort x abhängt. Wie Abb. 2 zeigt, ergibt die Projektion dann eine Sinus-Funktion entlang der x-Achse.

Abb. 2: eine sinusförmige Schwingung entlang der x-Achse.
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Wie weit können Messwerte vom Mittelwert abweichen?

Wenn wir eine Größe oft gemessen haben, möchten wir statt allen Messwerten einfach einen typischen Wert angeben. Wie groß ist z.B. das typische Einkommen aller Österreicher? Oft wird dafür das arithmetische Mittel \bar{x} verwendet, das eigentlich der Schwerpunkt der Messwerte ist. (Wie weit Mittelwert und Median voneinander abweichen können, wird hier diskutiert.)

Die einzelnen Messwerte streuen mehr oder weniger weit um diesen Mittelwert. Ein Maß für die Streuung ist die Standardabweichung s_n. Als typischer Bereich der Werte wird oft das Intervall [\bar{x}-s_n;\bar{x}+s_n] verwendet.

Aber wie viele Werte sind wirklich in diesem Bereich bzw. wie weit können die Messwerte überhaupt vom Mittelwert abweichen? Wie wir sehen werden, ist [\bar{x}-\sqrt{2}\,s_n;\bar{x}+\sqrt{2}\,s_n] der Bereich, in dem garantiert mindestens die Hälfte der Messwerte liegt. Und typisch kann ja nur etwas sein, was zumindest für die Hälfte zutrifft. Darüber hinaus liegen sicher alle n Messwerte im Intervall [\bar{x}-\sqrt{n-1}\cdot s_n;\bar{x}+\sqrt{n-1}\cdot s_n].

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Malen mit Zahlen, Teil 1 – Warum funktioniert das Lochkameramodell so gut?

Zwischendurch ein kleine Abschweifung in die geometrische Optik, die für Rasterung/Schattierung und Raytracing gleichermaßen zutrifft.

In Teil 0 haben wir die (inverse) Lochkamera besprochen und wie man damit perspektivische Abbildungen erzeugen kann. Wir sehen die Welt aber mit unseren Augen, die keine Lochkameras sind, sondern eine Linse haben. Ebenso haben (Film-)Kameras mehr oder weniger aufwendige Linsensysteme. Warum funktioniert unser Lochkameramodell dann so gut?

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Malen mit Zahlen, Teil RS2 – Drahtgittermodelle

Im letzten Teil haben wir nur Punkte gemalt. In dieser Folge zeichnen wir endlich Linien im Raum. Das ergibt Bilder wie in Abb. 1, in dem die Kanten von drei Würfeln und Breiten-/Längenkreise auf einer Kugel zu sehen sind. Wenn wir Würfel aus kleinen Drahtstücken zusammenlöten, sehen sie so ähnlich aus wie in Abb. 1. Man spricht daher von Drahtgitter- bzw. Wireframe-Modellen.

Abb. 1: Ein paar Drahtgitter-Modelle im Raum.

Punkte haben wir schon projiziert, aber wie projizieren wir Linien im Raum auf den Schirm?

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Malen mit Zahlen, Teil RS1c – Der Code für Kamera und Punkte

Dieser Beitrag liefert den versprochenen Code zum Teil RS1. Geschrieben habe ich ihn in Processing, das im Wesentlichen ein vereinfachtes Java mit ein paar Goodies ist.

Warum Processing?

Normalerweise veranstalte ich Tagesevents zu 3D-Computergraphik in der letzten Schulwoche. Unsere Schüler können dabei frei aus Events wählen und auch der Klassenverband ist dann aufgelöst. Ich habe also 20+ Teilnehmer aus unterschiedlichen Jahrgängen, Abteilungen und natürlich mit unterschiedlichen Laptops und Betriebssystemen. Manche haben unter Windows noch nie die Kommandozeile gesehen …

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