เซนทรอยด์

ในทางเรขาคณิต เซนทรอยด์ () หรือชื่ออื่นเช่น ศูนย์กลางเรขาคณิต (geometric center), แบรีเซนเตอร์ (barycenter) ของรูปร่าง X บนระนาบ คือจุดตัดของเส้นตรงทั้งหมดที่แบ่งรูปร่าง X ออกเป็นสองส่วนตามโมเมนต์เท่าๆ กัน หรือเรียกได้ว่าเป็นแนวโน้มสู่ส่วนกลางของจุดทั้งหมดที่อยู่ภายในรูปร่าง X นิยามนี้ขยายออกไปยังวัตถุใดๆ ที่อยู่ในปริภูมิ n มิติด้วย นั่นคือเซนทรอยด์คือจุดตัดของระนาบเกิน (hyperplane) ทั้งหมดที่แบ่งรูปร่าง X ออกเป็นสองส่วนตามโมเมนต์เท่าๆ กัน

ในทางฟิสิกส์ เซนทรอยด์อาจหมายถึงศูนย์กลางเรขาคณิตของวัตถุดังที่กล่าวไปแล้ว หรืออาจหมายถึงศูนย์กลางมวลหรือศูนย์ถ่วงของวัตถุ ขึ้นอยู่กับบริบท หรือเรียกได้ว่าเป็นแนวโน้มสู่ส่วนกลางของจุดทั้งหมด ซึ่งชั่งน้ำหนักตามความหนาแน่นหรือน้ำหนักจำเพาะตามลำดับ

ในทางภูมิศาสตร์ เซนทรอยด์ของบริเวณหนึ่งบนพื้นผิวโลก ซึ่งเป็นภาพฉายตามแนวรัศมีไปบนพื้นผิว คือจุดกึ่งกลางโดยสมมติของพื้นที่บริเวณนั้น เรียกว่าศูนย์กลางภูมิศาสตร์ (geographical centre)

สมบัติ 
เซนทรอยด์ของวัตถุทรงนูน (convex) จะอยู่ในวัตถุนั้นเสมอ สำหรับรูปสามเหลี่ยมจะเป็นจุดที่เส้นมัธยฐานทั้งสามตัดกันพอดี ส่วนวัตถุที่ไม่เป็นทรงนูน เซนทรอยด์อาจอยู่นอกวัตถุก็ได้ ตัวอย่างวัตถุเช่น แหวนหรือถ้วย เซนทรอยด์จะอยู่กึ่งกลางช่องว่างระหว่างวัตถุ

ถ้าหากเซนทรอยด์ได้ถูกนิยามขึ้นมาแล้ว จุดนั้นจะเป็นจุดตรึง (fixed point) สำหรับสมมิติ (isometry) ทั้งหมดในกรุปสมมาตร (symmetry group) โดยเฉพาะเซนทรอยด์ของวัตถุที่อยู่บนจุดตัดของระนาบเกินทั้งหมดของความสมมาตร เซนทรอยด์ของรูปทรงหลายชนิด (อาทิ รูปหลายเหลี่ยมปรกติ ทรงหลายหน้าปรกติ ทรงกระบอก รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า รูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน รูปวงกลม ทรงกลม รูปวงรี ทรงรี superellipse superellipsoid ฯลฯ) สามารถอธิบายได้ด้วยหลักการข้างต้น

ด้วยเหตุผลเดียวกัน เซนทรอยด์ของวัตถุที่สมมาตรเคลื่อนที่ (translational symmetry) จะไม่ถูกนิยาม (หรือวางอยู่นอกปริภูมิที่โอบล้อม) เพราะว่าการเคลื่อนที่นั้นไม่มีจุดตรึง

เซนทรอยด์ของเซตจำกัดของจุด 
เซนทรอยด์ของเซตจำกัดของจุด  ในเซต  คือ

เซนทรอยด์จากการแยกทางเรขาคณิต 
เซนทรอยด์ของรูปร่าง X บนระนาบ สามารถคำนวณได้จากการแบ่งรูปนั้นออกเป็นรูปร่างที่ง่ายกว่าเป็นส่วนๆ  เป็นจำนวนจำกัด n ส่วน แล้วคำนวณหาเซนทรอยด์ย่อย  กับพื้นที่ย่อย  ของแต่ละส่วน เพื่อเข้าสูตรนี้

สูตรนี้ก็สามารถใช้ได้บนวัตถุสามมิติ เว้นแต่เพียงว่า  ควรจะเป็นปริมาตรของวัตถุย่อย  แทนที่จะเป็นพื้นที่ และสูตรนี้ก็ยังใช้ได้บนเซตย่อยของ  สำหรับวัตถุ d มิติ โดยที่  จะถูกแทนที่ด้วยเมเชอร์ (measure) ของส่วนย่อยนั้น

สูตรนี้ก็ยังคงใช้ได้ถึงแม้ว่าจะมีบางส่วนทับซ้อน และ/หรือขยายออกไปนอกเซต X ซึ่งจะทำให้เมเชอร์  มีค่าเป็นบวกหรือลบ ในทางเช่นนั้นผลรวมทุกส่วนของ  ที่โอบล้อมจุดที่กำหนด x จะเท่ากับ 1 เมื่อจุด x อยู่ในรูปร่าง X ส่วนกรณีอื่นจะเป็น 0

สูตรปริพันธ์ 
เซนทรอยด์ของเซตย่อย X ในเซต  สามารถคำนวณได้ด้วยปริพันธ์

เมื่อปริพันธ์นั้นครอบคลุมปริภูมิ  ทั้งหมด และ f คือฟังก์ชันลักษณะเฉพาะ (characteristic function) ของเซตย่อยนั้น ซึ่งให้ค่าเป็น 1 หากอยู่ภายใน X และเป็น 0 หากอยู่ภายนอก (อย่างไรก็ตาม สูตรนี้ไม่สามารถใช้ได้ถ้าวัตถุนั้นมีเมเชอร์เป็นศูนย์ หรือถ้าปริพันธ์ลู่ออก อย่างใดอย่างหนึ่ง)

เซนทรอยด์ของรูปสามเหลี่ยมและทรงสี่หน้า 

เซนทรอยด์ของรูปสามเหลี่ยม คือจุดตัดของเส้นมัธยฐาน (ส่วนของเส้นตรงที่เชื่อมระหว่างจุดยอดกับจุดกึ่งกลางของด้านที่อยู่ตรงข้าม) เซนทรอยด์จะแบ่งเส้นมัธยฐานออกเป็นอัตราส่วน 2:1 ซึ่งเรียกได้ว่าเซนทรอยด์อยู่ที่  ของส่วนสูง (ระยะตั้งฉากระหว่างด้านและมุมตรงข้าม) ดังรูปที่แสดงไว้ทางขวา

เซนทรอยด์จะเป็นศูนย์กลางมวลของรูปสามเหลี่ยม ถ้าหากรูปสามเหลี่ยมนั้นสร้างขึ้นบนแผ่นวัสดุบางๆ อย่างเช่นแผ่นกระดาษหรือแผ่นโลหะ พิกัดคาร์ทีเซียนของเซนทรอยด์ คือมัชฌิมเลขคณิตของพิกัดของจุดยอดของรูปสามเหลี่ยม นั่นคือ ถ้าให้จุดยอดทั้งสามอยู่ที่ , , และ  ดังนั้นเซนทรอยด์จะอยู่ที่

ผลที่คล้ายกันนี้ก็มีเช่นกันในทรงสี่หน้า เซนทรอยด์ของทรงสี่หน้าคือจุดตัดของส่วนของเส้นตรงทั้งหมดที่เชื่อมต่อจุดยอดกับเซนทรอยด์ของหน้าที่อยู่ตรงข้าม (ซึ่งเป็นรูปสามเหลี่ยม) ส่วนของเส้นตรงนี้จะถูกแบ่งโดยเซนทรอยด์ด้วยอัตราส่วน 3:1 ด้วยผลเช่นนี้สามารถเกิดกับกรณีทั่วไปของซิมเพล็กซ์ n มิติ ถ้าเซตของจุดยอดของซิมเพล็กซ์คือ  เราจะพิจารณาว่าจุดยอดเหล่านี้เป็นเวกเตอร์ และเซนทรอยด์จะอยู่ที่

isogonal conjugate ของเซนทรอยด์ของรูปสามเหลี่ยม คือ symmedian point

เซนทรอยด์ของรูปหลายเหลี่ยม 
เซนทรอยด์ของรูปหลายเหลี่ยมที่ด้านไม่ตัดกัน ซึ่งนิยามโดยจุดยอด  จำนวน n จุด สามารถคำนวณได้ดังนี้ 

พื้นที่ของรูปหลายเหลี่ยมคือ

และเซนทรอยด์จะอยู่ที่  เมื่อ

สำหรับสูตรเหล่านี้ จุดยอด  จะถูกกำหนดให้เป็น  ซึ่งก็หมายถึงจุดเดียวกัน

แหล่งข้อมูลอื่น 
Encyclopedia of Triangle Centers by Clark Kimberling. The centroid is indexed as X(2).
 Triangle centers by Antonio Gutierrez from Geometry Step by Step from the Land of the Incas.
 Characteristic Property of Centroid at cut-the-knot
 Barycentric Coordinates at cut-the-knot
 Online Tool to Compute Center of Mass bounded by f(x) and g(x) 
 Interactive animations showing Centroid of a triangle and Centroid construction with compass and straightedge

เรขาคณิตสัมพรรค
มัชฌิม
รูปสามเหลี่ยม