在凸几何中,我们常常在维Euclidean空间内处理问题,因此本章讨论的向量空间仅限于。 尽管凸性本身是纯代数性质,不过凸集本身不具有代数封闭的良好性质; 在凸集上讨论更多的是一些特有的代数性质与拓扑性质,例如极值表示、支撑与分离,其中前者与高维Bell不等式的违背密切相关。
10.1代数性质
对于集合,若对于和均有,则称其为凸的(convex)。
对于不同的,最简单的非平凡凸集是开线段(open segment)和闭线段(close segment)。 类似可定义半开线段和;
中的平坦也是凸集。 更具体地,给定线性形式和某个,则是凸的。 若表示超平面,则开半空间(open halfspace)和闭半空间(close halfspace)也是凸集;
定义 1.19中的开球与闭球也是凸的,并且在的边界上添加任意子集得到的集合仍是凸的。
设,,并且,满足,则称为点的凸组合(convex combination)。
集合是凸集当且仅当中所有凸组合均在内。
充分性是显然的; 必要性可通过归纳法采用与命题 9.2类似的讨论直接证明。
根据先前的经验,代数结构的“生成”是一个极其重要的概念,例如闭包、生成向量空间(可以视为一种“线性包”)、仿射包。 采用类似的思路,在这里我们希望定义“凸包”。 对于中的任意凸集族,对于其交集内的任意两点和,由于对所有和所有成立,因此也是凸集。 特别地,对于给定的,所有包含的凸集的交集是凸的。 由此可以引出如下定义。
对于,集合
称为的凸包(convex hull)。
若且,由于是包含的最小凸包,因此意味着; 以后我们经常会用到此结论。 此外还有和。
类似定理 9.2,凸包不出意外地可由凸组合刻画。
对于,是中向量的所有凸组合构成的集合。
记中向量的所有凸组合构成的集合为。 根据定理 10.1,的凸包含有中向量的所有凸组合,因此。 现在我们希望证明是包含的一个凸集,那么作为包含的最小凸集,。 设,则对于任意,存在满足,同时使得,因此凸组合
因此也是凸集,从而,结论得证。
该定理的一个平凡结论是,为凸集当且仅当,这实际上就是定理 10.1的内容。
对于集合和,定义
集合称为集合的Minkowski组合(Minkowski combination),运算称为Minkowski加法(Minkowski addition)。 与的差集(difference)定义为。
若是凸集且,则是凸集。
任取中的元素和,其中且。 那么对于任意,。 可见为凸集。
设集合。
对所有成立;
若为凸集,则对所有成立;
若对所有成立,则为凸集。
对于任意,,即;
这里仅需证明反向包含成立。 当为凸集时,对于任意,容易看出,故;
对于任意,,因此为凸集。
虽然上一章中我们未对仿射变换作过多讨论,但还是有必要介绍,因为其具有保凸的良好性质。
设和均为凸集,为仿射变换,则
均为凸集。
对于中的任意两个元素,存在使其分别等于和。 由于为凸集,对所有成立,从而,故为凸集; 类似。
有限多个闭半空间的交集称为多面体集(polyhedral set);
有限多个点的凸包称为(凸)多胞形(polytype);
仿射无关点集的凸包称为单纯形(simplex)。 -单纯形为个仿射无关点的凸包。
空集和全空间均为多面体集。 根据Heine-Borel定理 1.10,多胞形总是紧致集; 多面体集是闭集,但可能无界。
若多胞形内的点使得仍为凸集,则称其为顶点(vertex)。 的顶点构成的集合记为。
设为中的多胞形,为不同的点。
若,则是的顶点当且仅当;
为其顶点的凸包。
若为的顶点,则是凸集且。 根据凸包的定义,意味着,因此,即; 反之,若不是的顶点,那么存在和使得(否则为凸集,矛盾)。 设凸组合,那么,其中对所有成立。 当时上式恒等,但此时,矛盾; 因此,将其改写为,结论得证;
根据定义,设存在有点点集使得。 若存在使其可表示为其余向量的凸组合,即。 那么对于任意,设其凸组合为,我们有
(10.1.5)从而,即为的凸包。 如此操作至多有限次,最终剩余点均为的顶点,并且。
设是一个集合,。 记,则是凸的当且仅当。
多胞形的性质在集合的基本运算下保持,即有如下结果。
若为中的多胞形,则以下集合也是多胞形:
和;
对任意;
对任意仿射变换。
若是仿射无关点的凸包,则是-单纯形,并且每个点都是的顶点。 -单纯形具有维数,这里维数定义为将该集合嵌入其仿射包后该仿射包的维数。
单纯形可通过凸组合的唯一性刻画。
凸集是单纯形当且仅当存在,使得每个具有作为的凸组合的唯一表示。
10.2组合性质
凸几何中这一部分称为组合几何(combinatorial geometry),我们仅介绍其中最重要的三个定理。
设为仿射相关的点,则存在划分,其中,使得
设仿射相关,那么根据定理 9.4,存在不全为零的使得且。 定义指标集和,显然。 记,那么,进而存在凸组合
Helly定理研究的是这样一类问题: 若集族中任意有限多集合都共享某种性质,那么是否所有集合都共享这种性质? 事实上,我们在第第 1 章章证明的闭区间套定理 1.11就是一例。 下面我们仅针对特定性质讨论。
设为中的凸集,其中。 若集合中任意个均具有非空交集,则;
设为中至少个紧凸集构成的集族。 若中任意个集合均具有非空交集,则。
上述第二条结论中紧致性是必要的。 考虑上的开线段。 那么对于任意两条不同的开线段和,不妨设,那么; 但是。 对于任意正数,由Archimedean性质命题 1.19,存在自然数使得,即,进而。
对于集合和,以下两种表述等价:
;
对于某个,存在一个顶点在上的-单纯形,使得。
对于必要性,意味着; 对于充分性,存在使得可表示为凸组合。 对于满足上述条件的全体自然数构成的集合,根据定理 1.7,其中必然存在一个最小自然数,此时任意个点的凸包不包含,希望证明这个点仿射无关。 假设其仿射相关,即存在不全为零的使得且。 那么存在非空指标集,从中选择指标使得,进而可构造
其中对任意成立,并且,因此可由个非零向表示,这与的极小性矛盾。 因此仿射无关,此时是包含的一个单纯形。
上述定理表明,若是仿射相关点的凸组合,则至少有一个点是冗余的。 重复此操作有限次,我们可得到作为的仿射无关子集的凸组合表示。 特别地,的凸包内任一点是中至多个点的凸组合。 显然,这些点的选择依赖于。
10.3拓扑性质
尽管凸性是纯代数性质,但该性质仍然带来了一些特别的拓扑结果。
记的基底子空间为,对所有成立。 根据定理 9.4,的仿射无关性要求线性无关,那么构成的一组基,此时等价于证明
考虑(2.3.2)式定义的坐标映射,其为向量空间之间的同构。 对于任意以及正数,当时,由Cauchy-Schwarz不等式,
根据命题 1.16,是连续的,从而是同胚(参见定义 A.9)。 对于任意,存在内的开球,根据命题 1.17,存在的邻域,即,从而; 反之对于任意,存在开球,根据命题 1.17,存在包含的邻域,即,从而。 因此
记集合。 对于任意,取正数为和中的较小值。 那么对于任意,首先有对所有成立,因此,同时,因此; 对于反向包含,设,即存在开球。 我们希望证明对所有成立,并且。 假设存在,那么,但显然,矛盾,因此对所有成立; 假设,那么,但显然,矛盾,因此。 因此对所有成立,并且,即。 结合(10.3.2)式,,即
若非空子集是凸的,则。
上述定理说明,在研究给定凸集时,将其仿射包作为基底空间是有用的: 尽管在全空间内未必具有内点(例如中平面上的圆),但其在仿射包中必然具有内点。 因此,后文我们会不失一般性地假定(在的某个子空间中)内部非空。
若是凸的,并且,则。
设,其中。 由于,对于每个自然数,均存在,那么。 由于,存在上的开球。 定义内的序列中每个元素为,则。 因此存在使得对所有成立。 根据命题 10.2,,因此,即。
若是(相对)开的,则是(相对)开的; 若是紧致的,则是紧致的。
对于任意,根据Carathéodory定理 10.8,存在仿射无关的点集使得可表示为凸组合,其中。 由于在上是开集,故对于每个点,存在开球。 取,那么对所有成立。 对于任意,利用的凸性可知
(10.3.6)因此,因此在上是开集;
根据Heine-Borel定理 1.10,是有界闭集,即存在开球使得,根据定义有,因此有界; 设,考虑内一组收敛到的序列,根据Carathéodory定理 10.8,对于每个,存在中一组点使得
(10.3.7)由于和均紧致,根据Bolzano-Weierstrass定理 1.13,存在的一个子列收敛; 在该子列中,继续寻找的收敛子列; 重复这样的操作次,最后得到中的子列使得所有和分别收敛到和,那么子列收敛到。 利用上极限的线性性和单调性(定理 1.15),对所有成立,; 再利用极限的唯一性(命题 1.10),,因此也是有界闭集。 根据Heine-Borel定理 1.10。
特别地,上述定理表明,凸多胞形是紧致的。
10.4支撑与分离
凸集是包含其内所有元素及其凸组合的集合。 在本节中,我们考虑凸集另一种具有对偶性质的描述: 凸集可从半空间的交集获得。 为了得到这样的结果,所研究的凸集必须是闭集。
设为非空闭凸集,那么对于每个,存在唯一的点满足
该定理的证明思路与定理 8.1类似,区别在于定理 8.1中研究的集合同时还是子空间,因此天然是闭集。 显然对于,显然有; 对于,由于对任意成立,完备性公理 1.4要求其下确界存在。 另外,对于任意,存在使得,因此。 另一方面,对于任意,存在使得,因此。 综合上述结果,。 根据命题 1.24,是有界闭集,因此根据Heine-Borel定理 1.10,是紧致的; 再利用命题 1.18和命题 8.1,上范数的像也是紧致的。 根据极值定理 1.5,存在使得
最后,假设存在达到该下确界,根据凸性有,那么
由于,我们有,这意味着
与达到下确界矛盾,因此达到下确界的唯一。
根据该定理,我们可引出度量投影的定义。
映射称为到非空闭凸集上的度量投影(metric projection)。
事实上,最近邻点的存在性关于所有闭集成立,而其唯一性则由的凸性保证。
设是闭凸集,为超平面,那么如果且包含在两个闭半空间或之一,则称为的支撑超平面(supporting hyperplane)。 包含且以的支撑超平面为边界的半空间称为的支撑半空间(supporting halfspace); 集合称为支撑集(supporting set),并且任意称为支撑点(supporting point)。 若是的支撑超平面,我们简称支撑。
集合是闭凸集; 直线是支撑直线,但直线和不是。
设为非空闭凸集,,那么通过且正交于的超平面支撑。 此外,以为边界且不包含的半空间是一个支撑半空间。
若,那么意味着其线性形式; 另一方面,已知,那么意味着,矛盾。 对于,通过内积定义线性泛函为。 记,那么通过且正交于的向量集为。 根据定理 9.1,容易验证是仿射封闭的,因此是平坦。 通过Gram-Schmidt增广过程(定理 5.6),可在中得到一组与正交的标准正交集; 根据定理 5.8,该集合基数为,即,因此是超平面。 现在仅需证明。 为了体现该结论的直观性,后续证明我们多通过几何图像进行说明,证明细节请读者自行补全。 假设存在点但,由于且,可证明; 从几何上看,与被分开,因此意味着与位于同侧,进而上述关于的投影点的向量内积为正。 设在通过和上的闭线段投影为,当在和之间时,且与构成直角三角形的顶点,其中为垂足,因此,但这与的极小性矛盾; 当在与之间时,类似有,而这同样与的极小性矛盾。 综上,只要就有,即。
每个非空闭凸真子集都是所有包含的闭半空间的交集。 更具体地,是其所有支撑半空间的交集。
由于包含在其任一支撑半空间内,因此其在支撑半空间的交集内。 对于,根据定理 10.12,存在的支撑半空间使得,因此,即。
为了方便后续讨论,我们首先证明度量投影的连续性。
设是非空凸集,那么对于任意,。
设为闭凸集,那么通过的每个边界点均存在一个支撑超平面。
对于两个集合和超平面,若或两者之一成立,则称分离(seperate)和。 若存在分离超平面不同时包含和,则称凸集和可被真分离(properly seperate)。
定理定理 10.12说明闭凸集和点可被超平面分离(甚至存在一个与和都要正距离的分离超平面)。 这一结果可推广到紧凸集而不仅仅是单点集上。 此外,支撑定理 10.14表明对于的每个边界点,都存在一个超平面使其与分离。 分离定理则提供了两个非空凸集真分离的充要条件。
设为中的非空凸集,则当且仅当和可被真分离。
结合该定理之前的一小段讨论,我们已经能接受该结论在直观上的正确性。 有鉴于此,我们在这里仅给出结果,不再对其进行严格证明。 如果对详细的推导有兴趣,请参见[2]。 以下推论同样仅给出结果
设是凸集,此外是闭集、是紧致集,并且,则存在超平面和使得且。 此时称和被超平面强分离(strongly seperate)。
注意这里紧致性的要求是必须的,这是为了防止和在渐近情形不可强分离。 例如和均为非空闭凸集,但只存在分离直线,不存在可强分离的直线。
在本节的最后,我们讨论凸多胞形与多面体集的等价性。 我们先从支撑集的维数特征入手。
若闭凸集的支撑集的维数,则称其为-支撑集(-support)。 的1-支撑集称为边(edge),-支撑集称为(facet); 有时也称的-支撑集为的面。
多胞形的0-支撑集恰好是单点集,其中。
出于这种考虑,后面我们不再严格区分0-支撑集和顶点,尽管前者是单点集、后者单纯是点。
设是具有顶点的多胞形,是的支撑集,则。
设且。 假设不存在,即对所有成立; 那么对于任意,其凸组合满足,即,这与支撑定理 10.14矛盾。 因此恰当重排指标后,存在某个使得,并且。 不妨设,其中。 对于任意,其凸组合满足,等号成立当且仅当对所有成立。 因此。
特别地,上述定理表明,多胞形的支撑集也是由组成的多胞形,因此只存在有限多支撑集。
综合以上分析,我们最终可以得到多胞形是多面体集这一重要结论。 考虑到其严格推导较为冗杂,这里我们仅了解定理内容,对证明感兴趣的读者可参见[2]。
每个多胞形都是多面体集。
10.5极值表示
在先前的内容中,我们已经看到闭凸集存在一种平凡表示: 是所有包含的闭凸集的交集,即; 该表示可改进为一种非平凡表示: 是所有的支撑半空间的交集。 因此,讨论如何寻找一个尽可能小的真子集使得是很自然的,而这是一个非平凡问题。 尽管存在一些关于一般闭凸集的普遍结果,我们还是仅将注意力放在紧致情形,此时我们可以得到该问题的一个简单解。
设是闭凸集,若点不能表示为中点的非平凡凸组合,即对于和,必然给出,则称其为的极值点(extreme point)。 中所有极值点的集合记为。
为了对极值点有直观理解,容易证明当且仅当集合不包含任意直线(参见笔记《Convex Geometry》)。 特别地,若是闭半空间且,则。
若是的一个支撑集,则。
设且,并且存在使得对某个成立。 那么,等号成立当且仅当,即。 因此,这意味着。
反之该结论并不成立。 考虑类似400米跑道的图形围成的闭凸集,那么从“直道”到“弯道”的曲率变化点是极值点,但它不是支撑集。 这引出了如下定义。
设为闭凸集,若点构成的单点集是的一个0-支撑集,则称其为暴露点(exposed point)。 的暴露点集合记为。
根据命题 10.7,。
对于凸集内的点,当且仅当是凸集。
对于充分性,考虑任意,假设存在使得。 根据定义,时; 和1时分别有和。 以上情况均与矛盾,因此的任意凸组合在内,即为凸集; 反之若存在和使得,假设,那么的凸性要求,矛盾。 因此和中至少有一个等于,进而,故。
根据此结论,对于多胞形,其顶点恰好为极值点,即。 因此根据定理 10.4, 。 尽管对于一般的凸紧集,前者通常不成立,但仍成立。
设是凸紧集,,则当且仅当。 特别地,。
首先自然给出,因此仅需证明反向包含。 若,那么对于任意,存在凸组合,其中。 假设存在,那么,极值点的定义要求,矛盾。 因此; 反之若,对采用归纳假设证明该结论。 当时,由于紧致,根据极值定理 1.5,存在使得且,因此对任意成立。 容易证明,因此。 假设结论在上成立,考虑和任意过的直线。 由于紧致,根据Heine-Borel定理 1.10,为有界闭集,因此有界; 对于内任意收敛到的序列,首先; 利用收敛的线性性定理 1.15,,进而也是有界闭集。 根据极值定理 1.5,存在使其在上关于给定的的仿射组合系数分别取最小值和最大值,因此; 的凸性要求,因此,并且容易证明。 因此根据支撑定理 10.14,为支撑点,相应的支撑超平面分别记为和,则且,其中。 根据归纳假设,凸紧集且。 对于任意,若存在和使得,假设和至少有一个不在内。 不妨设,利用超平面的线性容易证明,矛盾。 因此,进而极值点的定义要求,这意味着; 类似地。 注意到可表示为的凸组合,因此可表示为的凸组合,即; 类似地,进而
利用的任意性,此时。 因此对于任意自然数,该结论成立。
设是凸紧集,则是多胞形当且仅当有限。
有了上述结果,现在我们可以补充定理 10.18的反向结论,从而证明多胞形与有界多面体集的等价性。
设为有界多面体集,则是多胞形。
有限多个多胞形的交集仍为多胞形。
最后,在Minkowski定理 10.19中,若将替换为,则结论通常不成立。 即使在平面中,凸紧集的暴露点集的凸包也未必紧致; 不过该凸包的闭包可还原为。
设是凸紧集,则。