3.1. Wierzchołki i krawędzie
Definicja 3.1
    Niech T∈Rn będzie niepustym podzbiorem. Relatywnym wnętrzem zbioru T nazywamy podzbiór rintT=p∈T|∃ε>0Kp,ε∩afT⊂T.
   
  
    Pojęcie relatywnego wnętrza jest praktyczniejsze przy badaniu wielościanów niż zwykłe wnętrze. Np. relatywnym wnętrzem odcinka w przestrzeni trójwymiarowej jest odcinek otwarty mimo, że cały odcinek jest brzegiem.
   
Stwierdzenie 3.1
    Jeżeli T jest niepustym podzbiorem wypukłym w Rn to rintT≠∅.
   
  
    Dowód zostawiamy czytelnikowi.
   
  
    Zajmijmy się kluczowym lematem przy opisie ścian wielościanu.
   
Lemat 3.1
    Niech p będzie punktem wielościanu
  
      
      
	
	 | 
	W=x∈Rn|αi∙x≤bi, 1≤i≤t=⋂i=1tHi, | 
	 | 
	
      
      
    gdzie Hi=x∈Rn|αi∙x≤biS są półprzestrzeniami.
  
    Dodatkowo zakładamy, że nierówności są tak ustawione by:
  
    αi∙p=bi dla 1≤i≤s;
  
    αi∙p<bi dla s<i≤t;
  
    Oznaczmy literą j liczbę n-rzAp czyli wymiar przestrzeni rozwiązań układu jednorodnego opisanego  macierzą Ap,
  
    gdzie
Ap=α1α2…αs, jest podmacierzą macierzy opisującej W  złożoną z pierwszych s wierszy macierzy opisującej W.
  
    Wówczas:
  
    1) S=W∩⋂i≤sHi- jest ścianą wymiaru j, zaś punkt p należy do jej relatywnego wnętrza.
  
    2) Punkt p jest środkiem pewnej  j - wymiarowej kuli zawartej w
W.
  
    3) Punkt p nie jest środkiem żadnej kuli j+1 - wymiarowej
zawartej w W.
  
    Niech V będzie zbiorem rozwiązań układu V=x∈Rn|αi∙x=bi, 1≤i≤s. Ponieważ p∈V i V jest zbiorem rozwiązań układu równań liniowych więc  na mocy twierdzenia
Kroneckera - Capelli'ego V jest przestrzenią afiniczną wymiaru n-rzAp=j. Zauważmy dodatkowo
V=⋂i≤sHi∩⋂i≤sHi-.
  
    Niech Si=W∩∂Hi. Wówczas dla 1≤i≤sSi są ścianami W zawierającymi punkt p zatem na mocy lematu 2.1 S jest ścianą wielościanu W. Ponadto S=W∩⋂i≤sHi-=⋂i≤tHi∩⋂i≤sHi-⊂⋂i≤sHi∩⋂i≤sHi-=V więc dimS≤j.
  
    Aby wykazać, że dimS=j i p∈rintS znajdziemy j-wymiarową kulę, zawartą w S o środku w punkcie p.
  
    Niech εi=ρp;∂Hi będzie odległością punktu p od brzegu odpowiedniej półprzestrzeni. Niech ε=Minεi|s<i≤t. Teraz K=Kp;ε∩V⊂W∩V=S jest j-wymiarową kulą o środku p.
  
    Niech B  będzie kulą o środku
p zawartą w wielościanie W. Wtedy ∀i≤sB⊂Hi oraz p∈∂Hi. Na mocy lematu 2.2 B⊂⋂i≤s∂Hi=V. Stąd dimB≤j.
  ∎
 Stwierdzenie 3.2
    Niech S=W∩∂H będzie ścianą wielościanu W. Wówczas S=W∩afS.
  
    Inkluzja S⊂W∩afS jest oczywista.
  
    Ponieważ S⊂∂H i ∂H jest podprzestrzenią, więc afS⊂∂H.
Stąd W∩afS⊂W∩∂H=S.
  ∎
 Lemat 3.2
    Niech S będzie ścianą wielościanu W, zaś p jej punktem relatywnie wewnętrznym. Wówczas S=W∩afK, gdzie K⊂W jest kulą o środku w punkcie p, maksymalnego wymiaru.
  
    Niech S=W∩∂H. Ponieważ p∈∂H, więc K⊂W∩∂H=S. Stąd afS=afK i S=W∩afS=W∩afK.
  ∎
 Lemat 3.3
    Niech S będzie ścianą wielościanu W=⋂i=1tHi, zaś p jej punktem relatywnie wewnętrznym.
  
    Wówczas S=W∩⋂i|p∈∂Hi∂Hi=W∩⋂i|p∈Hi-Hi-.
  
    Niech S=W∩∂H, dla pewnej półprzestrzeni H⊃W. Wówczas
  
    W=H∩⋂i=1tHi i z dowodu poprzedniego lematu
  
    S=W∩∂H∩⋂p∈∂Hi∂Hi⊂W∩⋂p∈∂Hi∂Hi=S¯. Do dowodu S=S¯ wystarczy zauważyć, że S jest ścianą tego samego wymiaru co S¯, gdyż każda kula o środku w p zawarta w S¯ jest zawarta w S.
  ∎
 Lemat 3.4
    Niech W=⋂i=1tHi⊂Rn będzie wielościanem.
  
    Jeżeli W≠⋂i=2tHi to
W∩∂H1≠∅.
  
    Niech q∈⋂i=2tHi∖W zaś p∈W. Oznaczmy przez q′ punkt przecięcia
odcinka pq¯ z ∂H1. Punkty p oraz q leżą po różnych stronach hiperpłaszczyzny
∂H1 więc punkt przecięcia
odcinka piq¯ z ∂H1 należy do W.
  ∎
 Lemat 3.5
    Niech W∈Rn będzie wielościanem. Wówczas W jest podprzestrzenią afiniczną wtedy i tylko wtedy gdy W nie ma właściwych ścian ( to znaczy ścian różnych od W ).
  
    
  
    ⇒ Niech W będzie przestrzenią afiniczną zaś S=W∩∂H ścianą. Wybierzmy dowolny punkt p∈S. Ponieważ p∈rintW więc istnieje kula K o środku w punkcie p  rozpinająca  W.
Ale na mocy lematu 1.1 K⊂∂H więc W=afK⊂∂H i W=S.
  
    ⇐
  
    a) Jeżeli W=Rn to jest podprzestrzenią afiniczną.
  
    b) Niech  W=⋂i=1tHi będzie opisem wielościanu W przy pomocy minimalnego zbioru półprzestrzeni. Na mocy lematu 3.4 zbiór Si=W∩∂Hi≠∅ dla każdego 1≤i≤t. Zatem są to ściany oraz W=Si⊂∂Hj. Otrzymujemy W⊂⋂i=1t∂Hi⊂⋂i=1tHi=W.
Stąd W=⋂i=1t∂Hi jest podprzestrzenią afiniczną.
  ∎
 
  
    Bezpośrednio z wniosku 2.1 i lematu 3.2 otrzymujemy:
   
Twierdzenie 3.1
    Niech W=⋂i=1tHi⊂Rn będzie wielościanem zaś T podzbiorem 1,2,3,…,t. Wówczas
  
    1) S=⋂i=1tHi∩⋂i∈THi- jest ścianą lub zbiorem pustym.
  
    2) Każda ściana S wielościanu W jest postaci S=⋂i=1tHi∩⋂i|p∈HiHi-,
gdzie p jest dowolnie ustalonym punktem relatywnego wnętrza S.
  Wniosek 3.1
    Ściana ściany wielościanu jest ścianą.
   
  
    Popatrzmy jak poprzednie lematy można zastosować do opisu
wierzchołków.
   
Twierdzenie 3.2
    Niech p będzie punktem wielościanu W⊂Rn, opisanego układem
  
    {x∈Rn:α1∙x≤b1α2∙x≤b2⋯αt∙x≤bt.
  
    Dodatkowo zakładamy, że równania są tak ustawione by:
  
    αi∙p=bi dla 1≤i≤s;
  
    αi∙p<bi dla s<i≤t;
  
    Wówczas równoważne są warunki:
  
    1)  p jest wierzchołkiem wielościanu W.
  
    2)  p nie jest środkiem odcinka zawartego w W.
  
    2a)  p nie jest nietrywialną kombinacją wypukłą punktów z
W.
  
    3)  rząd macierzy Ap=n gdzie
Ap=α1α2…αs, jest podmacierzą macierzy
opisującej W złożoną z
pierwszych s wierszy tej macierzy.
  
    Implikacje 1)⇒2)⇒3)⇒1)
wynikają bezpośrednio z  lematu  3.1.
  
    Implikacja 2)⇒2a) jest oczywista.
  
    Dowód 2a)⇒2). Niech p=∑i=1tripi
będzie nietrywialną kombinacją wypukłą punktów z W. To znaczy
∀iri>0 i wszystkie punkty są różne. Wtedy p=r1p1+1-r1∑i=2tri1-r1pi należy do wnętrza odcinka o
końcach p1 i ∑i=2tri1-r1pi, a więc jest środkiem
pewnego mniejszego odcinka zawartego w W.
  ∎
 Wniosek 3.2
    Wielościan ma co najwyżej skończoną liczbę wierzchołków.
Dokładniej: Jeżeli W jest wielościanem w Rn opisanym przez
t półprzestrzeni, to W zawiera co najwyżej tn wierzchołków.
   
  Algorytm szukania wierzchołków.
    
  
    
  
 | 
  
 | 
  
| Z nierówności opisujących wielościan wybieramy n liniowo | 
  
| niezależnych. Zamieniamy je na równania i rozwiązujemy otrzymany | 
  
| układ n równań. | 
  
 | 
  
| Ponieważ równania są niezależne rozwiązanie jest jednoznaczne. | 
  
| Jeżeli rozwiązanie spełnia pozostałe nierówności, to otrzymaliśmy | 
  
| wierzchołek. | 
  
 
   
  
    Procedurę tą możemy stosować tn razy.
   
  
  
    Analogicznie możemy opisywać krawędzie.
   
Twierdzenie 3.3
    Niech p będzie punktem wielościanu W⊂Rn, opisanego układem:
  
    α1∙x≤b1α2∙x≤b2⋯αt∙x≤bt.
  
    Dodatkowo zakładamy, że równania są tak ustawione by:
  
    αi∙p=bi dla 1≤i≤s;
  
    αi∙p<bi dla s<i≤t;
  
    Wówczas równoważne są warunki:
  
    1) p jest punktem wewnętrznym krawędzi wielościanu W.  p∈rintW
  
    2) p jest środkiem odcinka zawartego w W, ale nie jest
środkiem koła 
( kuli wymiaru 2 ) zawartego w W.
  
    3) rząd macierzy Ap=n-1 gdzie
Ap=α1α2…αs, jest podmacierzą macierzy 
opisującej W złożoną z
pierwszych s wierszy tej macierzy.
  Wniosek 3.3
    Wielościan ma co najwyżej skończoną liczbę krawędzi.
Dokładniej: Jeżeli W jest wielościanem w Rn opisanym przez
t półprzestrzeni to W zawiera co najwyżej tn-1 krawędzi.
   
  Algorytm szukania krawędzi.
    
  
    
  
 | 
  
 | 
  
| Z nierówności opisujących wielościan wybieramy n-1 liniowo | 
  
| niezależnych. Zamieniamy je na równania i rozwiązujemy otrzymany | 
  
| układ n-1 równań. | 
  
 | 
  
| Ponieważ równania są niezależne więc rozwiązaniem jest prosta, nazwijmy | 
  
| ją l. Aby wyliczyć krawędź zawartą w otrzymanej prostej | 
  
| przedstawiamy ją w postaci parametrycznej l=q+tα,t∈R. | 
  
 | 
  
| Wstawiamy równanie prostej | 
  
| do pozostałych nierówności i | 
  
| otrzymujemy ograniczenia na t. | 
  
 
   
  
    Procedurę tą możemy stosować tn-1 razy.
   
  Algorytm szukania krawędzi wychodzących z wierzchołka
.
    
  
    
  
 | 
  
 | 
  
| Wypisujemy wszystkie nierówności, które punkt p spełnia jako | 
  
| równości. Z tego zbioru wybieramy n-1 liniowo niezależnych i dalej postępujemy jak w | 
  
| poprzednim algorytmie. | 
  
 
   
Twierdzenie 3.4
    Niech ∅≠W⊆Rnbędzie wielościanem
opisanym wzorem W= x∈Rn|AxT≤b.
  
    Wówczas równoważne są warunki:
  
    1)  W zawiera wierzchołek.
  
    2)  rzA=n.
  
    3)  W nie zawiera prostej.
  
    1)⇒2) wniosek z  twierdzenia 3.2.
  
    Dowód 2)⇒3)
  
    Przypuśćmy, że l=p+rα|r∈R jest prostą zawartą w wielościanie
W, p,α∈Rn. Pokażemy, że prosta l jest zawarta w zbiorze rozwiązań układu równań liniowych o macierzy [A|b].
  
    ∀r∈RAp+rα≤b
  
    A=α1α2…αt︷nb=[b1b2…bt]}t
  
    ∀1≤i≤tαi∙p+rα≤bi
  
    αi∙p+rαi∙α≤bi
  
    rαi∙α≤bi-αi∙p
  
    Zatem:
  
    ∀1≤i≤t∀r∈Rrαi∙α≤bi-αi∙p.
  
    Ale αi∙α>0⇒r≤bi-αi∙pαi∙α
  
    αi∙α<0⇒r≥bi-αi∙pαi∙α.
  
    Co daje αi∙α=0.
  
    Stąd α jest niezerowym rozwiązaniem jednorodnego układu równań
liniowych Ay=θ.
  
    Niech p+rα∈l, wtedy Ap+rα=rAα+Ap=θ+b=b
  
    Skoro wymiar przestrzeni rozwiązań jest ≥1 więc na
mocy twierdzenia Kroneckera - Capelli'ego  rzA<n.
  
    Sprzeczność.
  
    3)⇒1)
  
    Niech S będzie ścianą wielościanu W najmniejszego wymiaru. Ponieważ każda ściana S jest ścianą W, więc S nie ma właściwych ścian, a zatem na mocy lematu 3.5 S jest przestrzenią afiniczną. Wielościan W nie zawiera prostej, więc S nie zawiera prostej. Stąd S ma wymiar 0 i jest wierzchołkiem.
  ∎
 Wniosek 3.4
    Niech ∅≠W1⊂W2 będą wielościanami.
Jeżeli W2 zawiera wierzchołek to W1 też zawiera
wierzchołek.
  
    W2 zawiera wierzchołek ⇒W2 nie zawiera
prostej ⇒W1 nie zawiera prostej ⇒W1 zawiera wierzchołek.
  ∎
 Wniosek 3.5
    Niech ∅≠W=x∈Rn|Ax=bix≥0 będzie wielościanem.
  
    Wtedy W zawiera wierzchołek.
  
    W⊂W2 gdzie W2=x∈Rn|x≥0,
czyli -x≤0
  
    ale rz-10…00-1…0⋮…00…-1 =n
  
    Stąd W2 zawiera wierzchołek, więc W1 też.
  ∎
 Twierdzenie 3.5
    Niech W⊂Rn będzie wielościanem z wierzchołkiem. Niech
S będzie ścianą wielościanu W. Wówczas S ma wierzchołek i
każdy wierzchołek S jest wierzchołkiem W.
  
    S jest wielościanem więc na mocy poprzedniego wniosku zawiera
wierzchołek. Przypuśćmy, że p jest wierzchołkiem S. Na mocy wniosku 3.1 p jest ścianą wielościanu W wymiaru 0, a więc wierzchołkiem.
  ∎
 
  
    Bezpośrednio stąd wynika.
   
Wniosek 3.6
    Niech W⊂Rn będzie wielościanem z wierzchołkiem. Wtedy
każda krawędź wielościanu W zawiera
pewien wierzchołek W.
   
    
    Zadania
Ćwiczenie 3.1
    Niech W=⋂i=1tHi⊂Rn będzie wielościanem. Jeżeli W≠⋂i=2tHi to
W∩∂H1 jest ścianą W wymiaru ≥dimW-1.
  Ćwiczenie 3.2
    Niech S będzie skończonym zbiorem punktów przestrzeni Rn. Pokazać,
że zbiorem wierzchołków ConvS jest najmniejszy podzbiór T⊂S, taki że ConvT=ConvS.
  Ćwiczenie 3.3
    Pokazać, że jeżeli W⊂Rn jest wielościanem wymiaru k, to z każdego wierzchołka wychodzi co najmniej
k krawędzi.