Zagadnienia

3. Wierzchołki i krawędzie

3.1. Wierzchołki i krawędzie

Definicja 3.1

Niech TRn będzie niepustym podzbiorem. Relatywnym wnętrzem zbioru T nazywamy podzbiór rintT=pT|ε>0Kp,εafTT.

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=xRn|αixbi, 1it=i=1tHi,

gdzie Hi=xRn|αixbiS są półprzestrzeniami.

Dodatkowo zakładamy, że nierówności są tak ustawione by:

αip=bi dla 1is;

αip<bi dla s<it;

Oznaczmy literą j liczbę n-rzAp czyli wymiar przestrzeni rozwiązań układu jednorodnego opisanego macierzą Ap,

gdzie Ap=α1α2αs, jest podmacierzą macierzy opisującej W złożoną z pierwszych s wierszy macierzy opisującej W.

Wówczas:

1) S=WisHi- 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=xRn|αix=bi, 1is. Ponieważ pV 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=isHiisHi-.

Niech Si=WHi. Wówczas dla 1isSi są ścianami W zawierającymi punkt p zatem na mocy lematu 2.1 S jest ścianą wielościanu W. Ponadto S=WisHi-=itHiisHi-isHiisHi-=V więc dimSj.

Aby wykazać, że dimS=j i printS 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<it. Teraz K=Kp;εVWV=S jest j-wymiarową kulą o środku p.

Niech B będzie kulą o środku p zawartą w wielościanie W. Wtedy isBHi oraz pHi. Na mocy lematu 2.2 BisHi=V. Stąd dimBj.

Stwierdzenie 3.2

Niech S=WH będzie ścianą wielościanu W. Wówczas S=WafS.

Inkluzja SWafS jest oczywista.

Ponieważ SH i H jest podprzestrzenią, więc afSH. Stąd WafSWH=S.

Lemat 3.2

Niech S będzie ścianą wielościanu W, zaś p jej punktem relatywnie wewnętrznym. Wówczas S=WafK, gdzie KW jest kulą o środku w punkcie p, maksymalnego wymiaru.

Niech S=WH. Ponieważ pH, więc KWH=S. Stąd afS=afK i S=WafS=WafK.

Lemat 3.3

Niech S będzie ścianą wielościanu W=i=1tHi, zaś p jej punktem relatywnie wewnętrznym.

Wówczas S=Wi|pHiHi=Wi|pHi-Hi-.

Niech S=WH, dla pewnej półprzestrzeni HW. Wówczas

W=Hi=1tHi i z dowodu poprzedniego lematu

S=WHpHiHiWpHiHi=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=1tHiRn będzie wielościanem.

Jeżeli Wi=2tHi to WH1.

Niech qi=2tHiW zaś pW. 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 WRn 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=WH ścianą. Wybierzmy dowolny punkt pS. Ponieważ printW więc istnieje kula K o środku w punkcie p rozpinająca W. Ale na mocy lematu 1.1 KH więc W=afKH 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=WHi dla każdego 1it. Zatem są to ściany oraz W=SiHj. Otrzymujemy Wi=1tHii=1tHi=W. Stąd W=i=1tHi jest podprzestrzenią afiniczną.

Bezpośrednio z wniosku 2.1 i lematu 3.2 otrzymujemy:

Twierdzenie 3.1

Niech W=i=1tHiRn będzie wielościanem zaś T podzbiorem 1,2,3,,t. Wówczas

1) S=i=1tHiiTHi- jest ścianą lub zbiorem pustym.

2) Każda ściana S wielościanu W jest postaci S=i=1tHii|pHiHi-, 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 WRn, opisanego układem

{xRn:α1xb1α2xb2αtxbt.

Dodatkowo zakładamy, że równania są tak ustawione by:

αip=bi dla 1is;

αip<bi dla s<it;

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=α1α2αs, 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-r1i=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 WRn, opisanego układem:

α1xb1α2xb2αtxbt.

Dodatkowo zakładamy, że równania są tak ustawione by:

αip=bi dla 1is;

αip<bi dla s<it;

Wówczas równoważne są warunki:

1) p jest punktem wewnętrznym krawędzi wielościanu W. printW

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=α1α2αs, 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,tR.
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 WRnbędzie wielościanem opisanym wzorem W= xRn|AxTb.

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|rR jest prostą zawartą w wielościanie W, p,αRn. Pokażemy, że prosta l jest zawarta w zbiorze rozwiązań układu równań liniowych o macierzy [A|b].

rRAp+rαb

A=α1α2αtnb=[b1b2bt]}t

1itαip+rαbi

αip+rαiαbi

rαiαbi-αip

Zatem:

1itrRrαiαbi-αip.

Ale αiα>0rbi-αipαiα

αiα<0rbi-αipαiα.

Co daje αiα=0.

Stąd α jest niezerowym rozwiązaniem jednorodnego układu równań liniowych Ay=θ.

Niech p+rαl, 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 W1W2 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=xRn|Ax=bix0 będzie wielościanem.

Wtedy W zawiera wierzchołek.

WW2 gdzie W2=xRn|x0, czyli -x0

ale rz-1000-1000-1 =n

Stąd W2 zawiera wierzchołek, więc W1 też.

Twierdzenie 3.5

Niech WRn 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 WRn będzie wielościanem z wierzchołkiem. Wtedy każda krawędź wielościanu W zawiera pewien wierzchołek W.

Zadania

Ćwiczenie 3.1

Niech W=i=1tHiRn będzie wielościanem. Jeżeli Wi=2tHi to WH1 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 TS, taki że ConvT=ConvS.

Ćwiczenie 3.3

Pokazać, że jeżeli WRn jest wielościanem wymiaru k, to z każdego wierzchołka wychodzi co najmniej k krawędzi.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.