극점 (기하학)

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하늘색으로 칠해진 콤팩트 볼록 집합의 극점들은 붉게 칠해진 점들이다. 크레인-밀만 정리에 따라, 이 극점들의 볼록 폐포는 원래 볼록 집합과 같다.

기하학에서, 극점(極點, 영어: extreme point)은 어떤 볼록 집합 속의 점 가운데, 다른 두 점의 볼록 선형 결합으로 나타낼 수 없는 것이다. 즉, 볼록 집합의 일종의 ‘귀퉁이’에 해당한다. 크레인-밀만 정리(Крейн-Мильман定理, 영어: Krein–Milman theorem)에 따르면, 실수 국소 볼록 공간콤팩트 볼록 집합은 그 극점들의 볼록 폐포와 같다. 쇼케 정리(Choquet定理, 영어: Choquet’s theorem)에 따르면, 거리화 가능 콤팩트 볼록 집합 속의 임의의 점은 그 극점 집합 위에 정의된 확률 측도의 무게 중심으로 나타내어진다.

정의[편집]

실수 벡터 공간 속의 볼록 집합 의 부분 집합 가 다음 두 조건을 만족시킨다면, (面, 영어: face)이라고 한다.[1]:121, Chapter 8

  • 공집합이 아니다.
  • 임의의 두 에 대하여, 만약 라면, 이다.

실수 벡터 공간 속의 볼록 집합 속의 점 에 대하여, 만약 의 면이라면, 극점이라고 한다.[1]:120, Chapter 8[2]:23, Definition 2.10[3]:369, §A1.3

의 극점의 집합을 로 표기하자.

극점 계수[편집]

보다 일반적으로, 실수 벡터 공간 속의 볼록 집합 속의 점 극점 계수(영어: extreme rank)는 다음과 같은 자연수이다.

여기서, 임의의 양의 정수 에 대하여

차원 단체내부이다. 특히, 이며, 임의의 로 나타내어지므로 항상 이다.

이 경우, 만약 이라면 -극점이라고 하자. 즉, 극점의 개념은 0-극점의 개념과 같다.

성질[편집]

임의의 실수 벡터 공간 볼록 집합 의 면들의 족 에 대하여, 그 교집합 공집합이 아니라면 항상 면이다.

증명:

임의의 에 대하여,

라고 하자. 그렇다면, 면의 정의에 따라서 이며, 따라서 이다.

존재[편집]

임의의 하우스도르프 실수 국소 볼록 공간 속의, 공집합이 아닌 콤팩트 볼록 집합 닫힌에 대하여, 에 속하는 의 극점이 (적어도 하나 이상) 존재한다.[1]:127, 8.13

증명:

닫힌 면들의 (부분 집합 관계의 반대 관계에 대한) 부분 순서 집합 을 생각하자. 초른의 보조정리를 사용할 경우, 다음 두 명제를 보이면 족하다.

  • 닫힌 부분 순서 집합이다.
  • 최대 원소한원소 집합이다.
    • 증명: 임의의 닫힌 면 가 서로 다른 두 점 , 을 갖는다고 하자. 한-바나흐 정리에 따라, 인 실수 값 선형 범함수 가 존재한다. 콤팩트 집합이므로 최댓값을 갖는다. 따라서 는 공집합이 아니며, 닫힌집합이며, 또한 면을 이룬다. 또한, 이므로, 를 둘 다 포함할 수 없다. 즉, 이다. 이에 따라, 최대 원소가 될 수 없다.

극점의 볼록 폐포[편집]

임의의 실수 벡터 공간 속의 볼록 집합 속의 두 점 에 대하여, 다음이 성립한다.

크레인-밀만 정리에 따르면, 임의의 하우스도르프 실수 국소 볼록 공간 속의 콤팩트 볼록 집합 은 그 극점들의 볼록 폐포와 일치한다.

증명:[1]:128, Theorem 8.14[3]:371, Theorem A1.6

은 자명하므로 이라고 가정하자. 의 극점 집합 를 생각하자. 자명하게 이다. (여기서 볼록 폐포이다.) 따라서 를 보이면 족하다.

귀류법을 사용하여, 라고 하자. 한-바나흐 정리에 의하여, 를 분리하는, 즉

가 성립하는 실수 값 선형 범함수

가 존재한다. 콤팩트 볼록 집합이므로 그 역시 콤팩트 볼록 집합, 즉 닫힌구간 이며, 이다. 즉, 닫힌 면이며, 정의에 따라 이다. 그런데 에 속하는 의 극점이 존재한다. 즉, 이며, 이는 모순이다.

체르멜로-프렝켈 집합론불 대수 소 아이디얼 정리를 가정할 때, 하우스도르프 국소 볼록 공간에 대한 크레인-밀만 정리는 선택 공리와 동치이다.

또한, 에드거 정리(영어: Edgar’s theorem)에 따르면, 반사 바나흐 공간 속의 임의의 유계 볼록 닫힌집합 는 스스로의 극점의 볼록 폐포와 일치한다. (일반적으로, 유계 닫힌집합인 것은 콤팩트 집합인 것보다 더 약한 조건이다.)

밀만 정리(영어: Milman’s theorem)에 따르면, 하우스도르프 실수 국소 볼록 공간 속의 콤팩트 볼록 집합 의 부분 집합 에 대하여, 만약 를 포함하는 최소의 볼록 닫힌집합라면, 의 모든 극점은 폐포에 속한다.[1]:138, Theorem 9.4

극점 위의 측도[편집]

임의의 실수 위상 벡터 공간 속의 콤팩트 집합 속의 베르 집합 측도 가 주어졌을 때, 만약

가 성립한다면, 무게 중심(-中心, 영어: barycenter)이라고 하자. (여기서 연속 쌍대 공간이다.)

다음이 주어졌다고 하자.

그렇다면, 쇼케 정리(영어: Choquet’s theorem)에 따르면 다음이 성립한다.[1]:168, Theorem 10.7

  • 의 극점의 집합 보렐 집합이다.
  • 임의의 에 대하여, 를 무게 중심으로 갖는 확률 측도 가 존재한다.

[편집]

한원소 집합의 유일한 점은 0-극점이다.

유클리드 공간 속에서, 닫힌 공

의 0-극점들은 초구

이며, 나머지 모든 점(열린 공)은 1-극점이다.

비(非)유계 집합에 대한 크레인-밀만 정리의 반례[편집]

실수선 속의 닫힌 반직선

닫힌집합이며 볼록 집합이지만 유계 집합이 아니다. 그 속의 0-극점들은 밖에 없으며, 나머지 점들은 모두 1-극점들이다. 이 경우 볼록 폐포이므로, 크레인-밀만 정리가 실패한다.

보다 일반적으로, 차원 유클리드 공간 속의 닫힌 반공간

일 경우 -극점을 갖지 않는다. 구체적으로, 경계의 점

-극점이며, 나머지 점들은 -극점이다.

비(非) 국소 볼록 공간에 대한 크레인-밀만 정리의 반례[편집]

크레인-밀만 정리가 성립하지 않는 콤팩트 볼록 집합을 가지는, 완비 거리화 가능 실수 위상 벡터 공간이 존재한다.[4]

역사[편집]

유클리드 공간에 대한 크레인-밀만 정리는 헤르만 민코프스키가 20세기 초에 증명하였다.[5]

바나흐 공간에 대한 크레인-밀만 정리는 마르크 크레인과 다비트 핀후소비치 밀만(러시아어: Дави́д Пи́нхусович Ми́льман, 히브리어: דוד פינחוסוביץ' מילמן, 1912~1982)이 1940년에 증명하였다.[6]:134

밀만 정리는 밀만이 1947년에 증명하였다.[7]

쇼케 정리는 귀스타브 쇼케(프랑스어: Gustave Choquet, 1915~2006)가 증명하였다.

참고 문헌[편집]

  1. Simon, Barry (2011). 《Convexity: an analytic viewpoint》. Cambridge Tracts in Mathematics (영어) 187. Cambridge University Press. ISBN 978-110700731-4. doi:10.1017/CBO9780511910135. 
  2. van Tiel, Jan (1984). 《Convex analysis: an introductory text》 (영어). Wiley. ISBN 978-047190263-8. 
  3. Lang, Serge (1970). 《Linear algebra》 (영어) 2판. Addison-Wesley. 
  4. Roberts, James W. (1977). “A compact convex set with no extreme points” (PDF). 《Studia Mathematica》 (영어) 60 (3): 255–266. ISSN 0039-3223. 
  5. Minkowski, Hermann (1910). 《Geometrie der Zahlen》 (독일어). Druck und Verlag von B. G. Teubner. 
  6. Krein, Mark; Milman, David (1940). “On extreme points of regular convex sets” (PDF). 《Studia Mathematica》 (영어) 9 (1): 133–138. ISSN 0039-3223. 
  7. Мильман, Д. П. (1947). “Характеристика экстремальных точек регулярно-выпуклого множества”. 《Доклады Академии Наук СССР》 (러시아어) 57: 119–122. 

바깥 고리[편집]