볼록 껍질
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목차
1. 개요
볼록 껍질은 유클리드 공간의 점 집합 X에 대해 X를 포함하는 최소의 볼록 집합으로 정의된다. 이는 X를 포함하는 모든 볼록 집합의 교집합, X의 점들의 모든 볼록 조합의 집합, X에 정점을 가진 모든 단순체의 합집합과 같다. 볼록 껍질은 열린 집합의 경우 열린 집합이며 콤팩트 집합의 경우 콤팩트 집합이다. 유한 점 집합의 볼록 껍질은 볼록 다각형 또는 볼록 다면체를 형성하며, 계산 기하학, 조합 최적화, 경제학, 기하 모델링 등 다양한 분야에 응용된다.
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볼록 껍질 | |
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개요 | |
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정의 | |
설명 | 수학에서 집합 X를 포함하는 가장 작은 볼록 집합 |
다른 표현 | X를 포함하는 모든 볼록 집합의 교집합 X의 점들의 볼록 결합 전체의 집합 |
용어 | 볼록 폐포 (convex closure) |
속성 | |
클리 | 주어진 점들의 유한 집합의 볼록 껍질은 그 점들의 부분 집합의 볼록 껍질과 같음 (부분 집합의 점들이 볼록 껍질의 꼭짓점임) |
2차원 | 볼록 껍질은 다각형 |
3차원 | 볼록 껍질은 다면체 |
일반 차원 | 볼록 껍질은 폴리토프 |
점 집합 | 점 집합의 볼록 껍질은 집합의 모든 점을 포함하는 가장 작은 볼록 폴리토프 |
콤팩트 집합 | 콤팩트 집합의 볼록 껍질은 콤팩트함 |
열린 집합 | 열린 집합의 볼록 껍질은 반드시 열려 있을 필요는 없음 |
닫힌 집합 | 닫힌 집합의 볼록 껍질은 반드시 닫혀 있을 필요는 없음 (닫힌 볼록 껍질 closed convex hull) |
계산 복잡도 | |
2차원 | O(n log n) |
3차원 | O(n log n) |
d차원 | O(n^(floor(d/2))) |
응용 | |
패턴 인식 | 패턴 인식 |
이미지 처리 | 이미지 처리 |
통계학 | 통계학 |
지리 정보 시스템 | 지리 정보 시스템 |
게임 이론 | 게임 이론 |
2. 정의
유클리드 공간의 점 집합은 각 점 쌍을 연결하는 선분을 포함하는 경우 볼록하다고 정의된다. 주어진 집합 의 볼록 껍질은 다음과 같이 정의될 수 있다.
#를 포함하는 (고유한) 최소 볼록 집합
#를 포함하는 모든 볼록 집합의 교집합
#에 있는 점들의 모든 볼록 조합 집합
#에 정점을 가진 모든 단순체의 합집합
2. 1. 정의의 동치성
볼록 껍질의 정의들은 모두 동치이다.[2] 첫 번째 정의에서 모든 `X`에 대해 `X`를 포함하는 유일한 최소 볼록 집합이 존재해야 하는지는 명확하지 않지만, 두 번째 정의인 `X`를 포함하는 모든 볼록 집합의 교집합은 잘 정의된다. 이는 `X`를 포함하는 다른 모든 볼록 집합 `Y`의 부분 집합이 되기 때문에, `X`를 포함하는 유일한 최소 볼록 집합이다. 따라서 처음 두 정의는 동일하다.`X`를 포함하는 각 볼록 집합은 `X` 점들의 모든 볼록 결합을 포함해야 하므로, 모든 볼록 결합의 집합은 `X`를 포함하는 모든 볼록 집합의 교집합에 포함된다.[2] 반대로, 모든 볼록 결합의 집합은 `X`를 포함하는 볼록 집합이므로, `X`를 포함하는 모든 볼록 집합의 교집합 또한 포함하며, 따라서 두 번째와 세 번째 정의는 동일하다.[2]
카라테오도리 정리에 따르면, `X`가 `d`차원 유클리드 공간의 부분 집합인 경우, `X`의 유한 개의 점들의 모든 볼록 결합은 `X`의 최대 `d+1`개의 점들의 볼록 결합이다.[2] `(d+1)`개 점들의 튜플의 볼록 결합의 집합은 단순체이며, 평면에서는 삼각형, 3차원 공간에서는 사면체이다. 따라서 `X`의 점들의 모든 볼록 결합은 꼭짓점이 `X`에 속하는 단순체에 속하며, 세 번째와 네 번째 정의는 동일하다.[2]
3. 성질
3. 1. 위상적 성질
열린 집합의 볼록 껍질은 항상 열린 집합이며, 콤팩트 집합의 볼록 껍질은 항상 콤팩트 집합이다.[5] 그러나 닫힌 집합의 볼록 껍질이 닫히지 않는 경우도 존재한다.[5] 예를 들어, 닫힌 집합:
(아그네시의 마녀 위에 또는 그 위에 있는 점들의 집합)은 열린 상반 평면을 볼록 껍질로 갖는다.[6]
크레인-스뮬리안 정리에 따르면, 바나흐 공간의 약하게 콤팩트한 부분 집합(약한 위상에서 콤팩트한 부분 집합)의 닫힌 볼록 껍질은 약하게 콤팩트하다.
3. 2. 극점
크레인-밀만 정리에 따르면, 유클리드 공간의 모든 콤팩트 볼록 집합은 극점들의 볼록 껍질이다.[7] 극점은 볼록 집합 내의 점으로서, 동일한 집합 내의 다른 두 점 사이의 열린 선분 위에 있지 않은 점을 의미한다. 볼록 껍질의 경우, 모든 극점은 주어진 집합의 일부여야 한다. 그렇지 않으면 주어진 점들의 볼록 결합으로 형성될 수 없기 때문이다. 콤팩트하지 않은 볼록 집합의 경우에는 이것이 성립하지 않을 수 있는데, 예를 들어 전체 유클리드 평면과 열린 단위 공은 둘 다 볼록하지만 극점을 전혀 가지고 있지 않다. 쇼케 이론은 이러한 이론을 극점의 유한 볼록 결합에서 무한 결합(적분)으로 더 일반적인 공간으로 확장한다.3. 3. 폐포 연산자
볼록 껍질 연산자는 다음과 같은 폐포 연산자의 특징을 갖는다.- 확장적이다. 즉, 모든 집합 X의 볼록 껍질은 X의 상위 집합이다.
- 단조 감소하지 않는다. 즉, X⊆Y인 두 집합 X와 Y에 대해, X의 볼록 껍질은 Y의 볼록 껍질의 부분 집합이다.
- 멱등적이다. 즉, 모든 X에 대해, X의 볼록 껍질의 볼록 껍질은 X의 볼록 껍질과 동일하다.
유한한 점 집합에 적용될 때, 이것은 점 집합의 쉘링(shelling) 반(反) 매트로이드인 반 매트로이드의 폐포 연산자이다. 모든 반 매트로이드는 충분히 높은 차원의 유클리드 공간에서 점들의 볼록 껍질로 이와 같이 표현될 수 있다.
3. 4. 민코프스키 합
볼록 껍질 연산과 민코프스키 합 연산은 서로 교환 가능하다.[8] 즉, 집합들의 볼록 껍질의 민코프스키 합은 동일한 집합들의 민코프스키 합의 볼록 껍질과 같다. 이는 셰플리-폭스만 보조정리로 가는 단계가 된다.[8]실수 선형 공간의 임의의 두 부분 집합 *S*1, *S*2에 대하여, 그들의 민코프스키 합의 볼록 껍질은 각각의 볼록 껍질의 민코프스키 합과 같다.
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이 결과는 부분 집합의 유한족에 대해서도 일반화할 수 있다.
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바꿔 말하면, 민코프스키 합 연산자와 볼록 껍질 연산자는 가환이다. 이러한 결과는 "민코프스키 합"이 집합론적인 합 (합집합)과 다름을 보여준다.
3. 5. 사영 쌍대
점 집합의 사영 쌍대 연산은 원점(또는 지정된 임의의 다른 점)을 모두 포함하는 닫힌 반공간들의 모임을 구성하는 것이다.{{reflist|refs=
}}
4. 특수한 경우
4. 1. 유한 점 집합

유한 점 집합 의 볼록 껍질은 일 때 볼록 다각형을 형성하며, 더 일반적으로는 에서 볼록 다면체를 형성한다. 껍질의 각 극점은 꼭짓점이라고 하며, (크레인-밀만 정리에 의해) 모든 볼록 다면체는 꼭짓점들의 볼록 껍질이다. 이는 꼭짓점이 에 속하고 의 모든 점을 둘러싸는 유일한 볼록 다면체이다.
일반 위치에 있는 점 집합의 경우, 볼록 껍질은 단순 다면체이다.
상계 정리에 따르면, 차원 유클리드 공간에서 개의 점의 볼록 껍질의 면의 수는 이다. 특히, 2차원과 3차원에서는 면의 수가 에 대해 선형 이하이다.
유한 점 집합의 볼록 껍질은 해당 집합에 속하는 점들로부터 얻을 수 있는 볼록 결합 전체로 구성된 집합이다. 볼록 결합에서 ''S''의 각 점 ''x''''i''에 곱해지는 가중치 또는 계수 α''i''는 모두 양수이고, 이들의 총합이 1이 되며, 이러한 가중치는 점들 간의 가중 평균 계산에 사용된다. 이러한 계수 쌍을 선택할 때마다 볼록 껍질에 속하는 점이 하나 결정되며, 계수로서 가능한 모든 쌍을 고려함으로써 볼록 껍질 전체를 얻을 수 있다. 식으로 나타내면 볼록 껍질은
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