U geometriji, podskup Euklidovog prostora, ili specifičnije afini prostor nad realnim brojevima, je konveksan ako, sa bilo koje dve tačke, on povezuje ceo linijski segment koji ih povezuje. Ekvivalentno, konveksni skup ili konveksni region je podskup koji preseca svaku liniju u jednom linijskom segmentu (verovatno praznom).[1][2] Na primer, čvrsta kocka je konveksni skup, dok sve što je šuplje ili ima udubljenje, na primer, oblik polumeseca, nije konveksno.

Thumb
Ilustracija konveksnog skupa koji izgleda donekle poput deformisanog kruga. Crni linijski segment koji povezuje tačke x i kompletno leži unutar (zelenog) skupa. Budući da je to tačno za bilo koje tačke x i y unutar skupa koje se mogu izabrati, skup je konveksan.
Thumb
Ilustracija nekonveksnog skupa. Kako (crveni) deo (crngo i crvenog) linijskog-segmenta koji povezuje tačke x i y leži izvan (zelenog) skupa, skup je nekonveksan.

Granica konveksnog skupa je uvek konveksna kriva. Presek svih konveksnih skupova koji sadrže dati podskup A Euklidovog prostora naziva se konveksni omotač A. To je najmanji konveksni skup koji sadrži A.

Konveksna funkcija je realno vrednosna funkcija definisana na intervalu sa svojstvom da je njegov epigraf (skup tačaka na ili iznad grafikona funkcije) konveksni skup. Konveksna minimizacija je potpolje optimizacije koje izučava problem minimizacije konveksnih funkcija nad konveksnim skupovima. Prva grana matemakia posvećena izučavanju svojstava konveksnih skupova i konveksnih funkcija se naziva konveksna analiza.

Pojam konveksnog skupa može se generalizovati, kao što je opisano u daljem tekstu.

Definicije

Thumb
Funkcija je konveksna, ako i samo ako njen epigraf, region (obojen zeleno) iznad njenog grafikona (prikazan plavom linijuom), je konveksan set.

Neka je S vektorski prostor ili afini prostor nad realnim brojevima, ili, generalnije, nad nekim uređenim poljem. Ovim su obuhvaćeni Euklidovi prostori, koji su afini prostori. podskup C od S je konveksan ako je za svako x i y u C, linijski segment koji povezuje x i y uključen u C. To znači da afina kombinacija (1 − t)x + ty pripada C, za svako x i y u C, i t na intervalu [0, 1]. To podrazumeva da je konveksnost (svojstvo da je konveksan) invarijantna pod afinim trasformacijama. Time se isto tako podrazumeva da je konveksni skup u realnom ili kompleksnom topološkom vektorskom prostoru povezan putanjom, i stoga povezan.

Skup C je striktno konveksan ako je svaka tačka na linijskom segmentu koji povezuje x i y izuzev krajnjih tačaka u unutrašnjosti C.

Skup C je apsolutno konveksan ako je konveksan i balansiran.

Konveksni podskupovi iz R (skupa realnih brojeva) su intervali i tačke iz R. Neki primeri konveksnih podskupova Euklidske ravni su čvrsti pravilni mnogouglovi, čvrsti trouglovi i preseci čvrstih trouglova. Neki primeri konveksnih podskupova Euklidskog trodimenzionalnog prostora su Arhimedova tela i pravilni poliedri. Poliedri Kepler-Puansoa su primeri nekonveksnih skupova.

Nekonveksni skup

Skup koji nije koveksan se naziva nekonveksni skup. Mnogougao koji nije konveksni poligon se ponekad naziva konkavni poligon,[3] a neki izvori generalnije koriste termin konkavni skup sa značenjem nekonveksni skup,[4] mada ta upotreba većinom nije dozvoljena.[5][6]

Komplement konveksnog skupa, kao što je epigraf konkavne funkcije, se ponekad naziva reverzni konveksni skup, posebno u kontekstu matematičke optimizacije.[7]

Svojstva

Neka je dato r tačaka u1, ..., ur u konveksnom skupu S, i r nenegativnih brojeva λ1, ..., λr takvih da je λ1 + ... + λr = 1, afina kombinacija pripada S. Kako je definicija konveksnog skupa slučaj r = 2, ovo svojstvo karakteriše konveksne skupove.

Takva afina kombinacija naziva se konveksna kombinacija u1, ..., ur.

Preseci i unije

Kolekcija konveksnih podskupova vektorskog prostora, afinog prostora ili euklidskog prostora ima sledeća svojstva:[8][9]

  1. Prazan skup i ceo prostor su konveksni.
  2. Presek bilo koje kolekcije konveksnih skupova je konveksan.
  3. Unija niza konveksnih skupova je konveksna, ako oni čine neopadajući lanac za uključivanje. Za ovo svojstvo, ograničenje na lance je važno, pošto unija dva konveksna skupa ne mora biti konveksna.

Zatvoreni konveksni skupovi

Zatvoreni konveksni skupovi su konveksni skupovi koji sadrže sve svoje granične tačke. Mogu se okarakterisati kao preseci zatvorenih poluprostora (skupovi tačaka u prostoru koje leže na jednoj strani hiperravni).

Iz ovoga što je upravo rečeno jasno je da su takvi preseci konveksni, a biće i zatvoreni skupovi. Da bi se dokazalo obrnuto, tj. da se svaki zatvoreni konveksni skup može predstaviti kao takav presek, potrebna je prateća teorema o hiperravni u obliku da za dati zatvoreni konveksni skup C i tačku P van njega postoji zatvoreni poluprostor H koji sadrži C a ne P. Prateća teorema o hiperravni je poseban slučaj Han–Banahove teoreme funkcionalne analize.[10][11][12]

Konveksni skupovi i pravougaonici

Neka je C konveksno telo u ravni (konveksan skup čija unutrašnjost nije prazna). Može se upisati pravougaonik r u C tako da je homotetička kopija R od r opisana oko C. Pozitivni odnos homotetije je najviše 2 i:[13]

Blački-Santalo dijagrami

Skup svih ravnih konveksnih tela može se parametrizovati u smislu prečnika konveksnog tela D, njegovog radijusa r (najveći krug koji se nalazi u konveksnom telu) i njegov radijus kruga R (najmanji krug koji sadrži konveksno telo). Zapravo, ovaj skup se može opisati skupom nejednakosti koje daje[14][15] i može se vizualizovati kao slika funkcije g koja preslikava konveksno telo u tačku R2 datu sa (r/R, D/2R). Slika ove funkcije je poznata (r, D, R) Blački-Santalov dijagram.[15]

Thumb
Blački-Santalov (r, D, R) dijagram za planarna konveksna tela. označava segment linije, jednakostranični trougao, Reloov trougao[16][17][18] i jedinični krug.

Alternativno, skup takođe može biti parametrizovan njegovom širinom (najmanja udaljenost između bilo koje dve različite paralelne hiperravni), perimetrom i površinom.[14][15]

Ostala svojstva

Neka je X topološki vektorski prostor i neka je konveksan.

  • i su oba konveksna (tj. zatvaranje i unutrašnjost konveksnih skupova su konveksni).
  • Ako je i onda je (gde je ).
  • Ako je onda je:
    • , i
    • , gde je algebarska unutrašnjost C.

Konveksni omotači i Minkovskijeve sume

Konveksni omotači

Svaki podskup A vektorskog prostora je sadržan u najmanjem konveksnom skupu (koji se naziva konveksna ljuska A), odnosno preseku svih konveksnih skupova koji sadrže A. Operator konveksne ljuske Conv() ima karakteristična svojstva operatora ljuske:

  • opširna: S ⊆ Conv(S),
  • neopadajuća: S  T implicira da je Conv(S)  Conv(T), i
  • idempotentna: Conv(Conv(S)) = Conv(S).

Operacija konveksne ljuske je potrebna da bi skup konveksnih skupova formirao rešetku, u kojoj je operacija „spajanja“ konveksni omotač unije dva konveksna skupa Presek bilo koje kolekcije konveksnih skupova je sam po sebi konveksan, tako da konveksni podskupovi (realnog ili kompleksnog) vektorskog prostora formiraju kompletnu rešetku.

Sabiranje Minkovskog

Thumb
Minkovskijevo dodavanje skupova. Zbir kvadrata Q1=[0,1]2 i Q2=[1,2]2 je kvadrat Q1+Q2=[1,3]2.

U realnom vektorskom prostoru, Minkovskijev zbir dva (neprazna) skupa, S1 i S2, je definisan kao skup S1 + S2 formiran dodavanjem vektora po elementima iz skupova sabiraka Uopštenije, zbir Minkovskog konačne porodice (nepraznih) skupova Sn je skup formiran sabiranjem vektora po elementima

Za sabiranje Minkovskog, nulti skup {0} koji sadrži samo nulti vektor 0 ima posebnu važnost: Za svaki neprazan podskup S vektorskog prostora u algebarskoj terminologiji, {0} je element identiteta Minkovskijevog sabiranja (na kolekciji nepraznih skupova).[19]

Konveksni ljuske Minkovskih suma

Minkovskijevo dodavanje se dobro ponaša u odnosu na operaciju uzimanja konveksnih ljuski, kao što pokazuje sledeći predlog:

Neka su S1, S2 podskupovi realnog vektorskog prostora, konveksni omotač njihovog Minkovskijevog zbira je zbir njihovih konveksnih omotača

Ovaj rezultat važi uopštenije za svaku konačnu kolekciju nepraznih skupova:

U matematičkoj terminologiji, operacije Minkovskijevogog sabiranja i formiranja konveksnih ljuski su komutativne operacije.[20][21]

Minkovskijeva suma konveksnih skupova

Zbir Minkovskog dva kompaktna konveksna skupa je kompaktan. Zbir kompaktnog konveksnog skupa i zatvorenog konveksnog skupa je zatvoren.[22]

Sledeća poznata teorema, koju je dokazao Diudoni 1966. godine, daje dovoljan uslov da razlika dva zatvorena konveksna podskupa bude zatvorena.[23] Ona koristi koncept recesionog konusa nepraznog konveksnog podskupa S, definisanog kao: gde je ovaj skup konveksan konus koji sadrži i zadovoljava . Treba imati na umu da ako je S zatvoren i konveksan onda je zatvoren i za svako ,

Teorema (Diudoni). Neka su A i B neprazni, zatvoreni i konveksni podskupovi lokalno konveksnog topološkog vektorskog prostora takvog da je linearni podprostor. Ako je A ili B lokalno kompaktan onda je A  B zatvoren.

Generalizacije i proširenja za konveksnost

Pojam konveksnosti u euklidskom prostoru može se generalizovati modifikacijom definicije u nekim ili drugim aspektima. Koristi se uobičajeni naziv „generalizovana konveksnost“, jer rezultujući objekti zadržavaju određena svojstva konveksnih skupova.

Zvezdasto-konveksni (zvezdasti) skupovi

Neka je C skup u realnom ili kompleksnom vektorskom prostoru. C je zvezdasto konveksan (u obliku zvezde) ako postoji x0 u C tako da je segment linije od x0 do bilo koje tačke y u C sadržan u C. Otuda je neprazan konveksan skup uvek zvezdasto konveksan, ali zvezdsto konveksni skup nije uvek konveksan.

Ortogonalna konveksnost

Primer generalizovane konveksnosti je ortogonalna konveksnost.[24]

Skup S u euklidskom prostoru naziva se ortogonalno konveksan ili orto-konveksan, ako bilo koji segment paralelan bilo kojoj od koordinatnih ose koje spajaju dve tačke od S leži potpuno unutar S. Lako je dokazati da je presek bilo koje kolekcije ortokonveksnih skupova ortokonveksan. Važe i neka druga svojstva konveksnih skupova.

Neeuklidska geometrija

Definicija konveksnog skupa i konveksnog omotača prirodno se proširuje na geometrije koje nisu euklidske definisanjem geodetski konveksnog skupa kao skupa koji sadrži geodetske koje spajaju bilo koje dve tačke u skupu.

Topologija reda

Konveksnost se može proširiti za potpuno uređen skup X koji ima topologiju poretka.[25]

Neka je YX. Potprostor Y je konveksan skup ako je za svaki par tačaka a, b u Y takav da je ab, interval [a, b] = {xX | axb} sadržan u Y. To jest, Y je konveksan ako i samo ako za svako a, b u Y, ab implicira [a, b] ⊆ Y.

Konveksan skup generalno nije povezan: kontra-primer je dat podprostorom {1,2,3} u Z, koji je i konveksan i nije povezan.

Prostori konveksnosti

Pojam konveksnosti se može generalizovati na druge objekte, ako se kao aksiome izaberu određena svojstva konveksnosti.

Za dati skup X, konveksnost nad X je kolekcija 𝒞 podskupova X koja zadovoljava sledeće aksiome:[8][9][26]

  1. Prazan skup i X su u 𝒞
  2. Presek bilo koje kolekcije iz 𝒞 je u 𝒞.
  3. Unija lanca (u pogledu inkluzivne relacije) elemenata od 𝒞 je u 𝒞.

Elementi 𝒞 se nazivaju konveksni skupovi, a par (X, 𝒞) se naziva prostor konveksnosti. Za običnu konveksnost važe prve dve aksiome, a treća je trivijalna.

Za alternativnu definiciju apstraktne konveksnosti, koja je pogodnija za diskretnu geometriju, pogledajte konveksne geometrije povezane sa antimatroidima.

Konveksni prostori

Konveksnost se može generalizovati kao apstraktna algebarska struktura: prostor je konveksan ako je moguće uzeti konveksne kombinacije tačaka.

Reference

Literatura

Spoljašnje veze

Wikiwand in your browser!

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.

Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.

Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.