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볼록 다각형

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1. 개요

볼록 다각형은 모든 내각이 180도보다 작거나 같고, 다각형의 경계나 내부의 두 점을 잇는 선분 위의 모든 점이 경계에 있거나 내부에 있는 단순 다각형이다. 두 볼록 다각형의 교집합은 볼록 다각형이며, 헬리의 정리, 크레인-밀만 정리, 초평면 분리정리 등의 특성을 갖는다. 또한 내접 삼각형, 외접 삼각형, 외/내접 직사각형의 특성도 보인다. 원에 내접하는 자기교차하지 않는 모든 다각형은 볼록하지만, 모든 볼록 다각형이 원에 내접하는 것은 아니다. 엄격한 볼록성은 모든 내각이 180도보다 엄격하게 작고, 내부의 두 점이나 경계에 있지만 같은 변에 있지 않은 두 점을 잇는 모든 선분이 엄격하게 다각형의 내부에 있는 성질을 의미한다.

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볼록 다각형
개요
볼록 다각형
볼록 다각형의 예
정의
정의모든 내각이 180°보다 작은 각을 가지는 다각형
성질
내각의 합(n-2) × 180° (n은 변의 개수)
외각의 합360°
특징다각형 내부의 임의의 두 점을 연결하는 선분이 항상 다각형 내부에 완전히 포함됨.
종류
정볼록다각형모든 변의 길이와 모든 내각의 크기가 같은 볼록 다각형
비볼록다각형 (오목다각형)적어도 하나의 내각이 180°보다 큰 각을 가지는 다각형

2. 특성

단순 다각형에서 다음 특성은 모두 볼록성과 동일하다.


  • 모든 내각은 180 보다 작거나 같다.
  • 다각형의 경계나 내부의 두 점을 잇는 선분 위의 모든 점은 경계에 있거나 내부에 있어야 한다.
  • 다각형은 각각의 변에 의해서 정의되는 모든 닫힌 반평면에 완전히 포함되어야 한다.
  • 모든 변에 대해서, 내부의 점은 모두 그 변에 의해서 정의되는 직선의 같은 쪽에 있어야 한다.
  • 각 꼭짓점의 각은 다른 모든 꼭짓점을 그 변과 내부에 포함해야 한다.
  • 다각형은 그 변들의 볼록 폐포여야 한다.


볼록 다각형의 추가적인 특성은 다음을 포함한다.

  • 두 볼록 다각형의 교집합은 볼록 다각형이다.
  • 볼록 다각형은 한 꼭짓점에서 다른 꼭짓점으로 대각선을 추가하는 부채 삼각화를 통해서 선형 시간안에 삼각화할 수 있다.
  • 헬리의 정리: 모든 최소 셋 이상의 볼록 다각형의 집합에서, 그 집합 중 어떤 세 개의 교집합도 공집합이 아니라면, 전체 집합의 교집합은 공집합이 아니다.
  • 크레인-밀만 정리: 볼록 다각형은 그 꼭짓점의 볼록 폐포이다. 따라서 이것은 그 꼭짓점만으로도 완전히 정의되고, 전체 다각형 모양을 복원하기 위해서는 꼭짓점만 필요하다.
  • 초평면 분리정리: 어떤 점도 공통으로 가지지 않는 볼록 다각형 두 개는 분리선을 가진다. 다각형이 닫혀있고 최소 하나는 콤팩트 하다면, 심지어 (사이에 틈이 있는) 평행한 분리선 두 개가 있을 수 있다.
  • '''내접 삼각형''' 특성: 볼록 다각형에 포함된 모든 삼각형에 대하여, 꼭짓점이 모두 다각형의 꼭짓점인 삼각형 중에 면적이 최대인 삼각형이 있다.[12]
  • '''외접 삼각형''' 특성: 면적이 ''A''인 모든 볼록 다각형은 최대 넓이가 2''A''인 삼각형에 내접한다. 평행사변형에 대해서 (배제적으로) 동일하게 작용한다.[13]
  • '''외/내접 직사각형''' 특성: 평면의 모든 볼록체 C에 대해서, r과 양의 닮음비가 최대 2인 닮은 직사각형 R이 C에 외접하는 직사각형 r을 C에 내접하게 만들 수 있다.[14]
  • 볼록 다각형의 평균 폭은 둘레를 파이로 나눈 값과 같다. 따라서 이 폭은 다각형과 같은 둘레를 가진 원의 지름이다.[15]


원에 내접하는(다각형의 모든 꼭짓점이 원에 접촉하는) 자기교차하지 않는 모든 다각형은 볼록하다. 하지만 모든 볼록 다각형이 원에 내접하는 것은 아니다.

3. 엄격한 볼록성


  • 모든 내각은 180보다 작다.
  • 내부의 두 점이나, 경계에 있지만 같은 변에 있지 않은 두 점을 잇는 모든 선분은 엄격하게 다각형의 내부에 있다(변에 양 끝점이 있을 경우에는 양 끝점을 제외한다).
  • 모든 변에 대해서, 내부의 점과 그 변에 포함되지 않는 경계의 점은 변이 정의하는 직선의 같은 쪽에 위치한다.
  • 각 꼭짓점의 각은 (주어진 꼭짓점과 인접한 두 꼭짓점을 제외한)다른 모든 꼭짓점을 내부에 포함한다.

삼각형은 좁은 의미의 볼록 다각형이다.

참조

[1] 웹사이트 Definition and properties of convex polygons with interactive animation http://www.mathopenr[...]
[2] 간행물 A parallel algorithm for enclosed and enclosing triangles
[3] 웹사이트 Triangle Circumscribing http://mathworld.wol[...]
[4] 간행물 Approximation of convex bodies by rectangles
[5] 웹사이트 What's the average width of a convex polygon? https://math.stackex[...]
[6] 웹사이트 Definition and properties of convex polygons with interactive animation http://www.mathopenr[...]
[7] 간행물 Is the area of intersection of convex polygons always convex? http://math.stackexc[...]
[8] 웹사이트 Triangle Circumscribing
[9] 간행물 Approximation of convex bodies by rectangles
[10] 간행물 What's the average width of a convex polygon? http://math.stackexc[...]
[11] 웹사이트 Definition and properties of convex polygons with interactive animation http://www.mathopenr[...]
[12] 웹인용 Is the area of intersection of convex polygons always convex? http://math.stackexc[...]
[13] 웹인용 Triangle Circumscribing http://mathworld.wol[...]
[14] 저널인용 Approximation of convex bodies by rectangles
[15] 웹인용 What's the average width of a convex polygon? http://math.stackexc[...]



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