多面集的表示定理的必要性的证明
前面的内容见 多面集的表示定理
4.2 必要性
4.2.1 有界情况下
若 S 有界,由于有界集没有方向,因此只要证明:
∀X∈S, X 可以被表示成 X1,⋯,Xk 的凸组合。
即存在集合 {λi∈R:∑i=1kλi=1,λi≥0,i∈N,1≤i≤k} , 使得: X=∑i=1kλiXi
下面用归纳法证明: ∀l∈N, 若存在 X∈S, 使得 ϕ(X)=n−l, 则 X 可以被表示成 X1,⋯,Xk 的凸组合。
1) l=0 时 ϕ(X)=n ,则 X 是 S 的一个极点,即存在 i∈N,1≤i≤k, 使得 X=Xi, 则命题显然成立。
2) 假设 l≤L(L∈N) 时成立,则 l=L+1 时,
若 L≥n, 则 n−l=n−(L+1)≤−1<0, 由于 ∀X∈S,ϕ(X)≥0 ,因此不存在 X∈S, 使得 ϕ(X)=n−l, 因此命题成立。
否则, 0≤L<n ,则 ϕ(X)=n−l=n−(L+1)=n−1−L∈[0,n−1], 由于S 有界,根据多面集的点的性质1,
∃X1,X2∈S, 使得 ϕ(X1),ϕ(X2)≥ϕ(X)+1=n−(L+1)+1=n−L,
存在 λ,μ>0,λ+μ=1 使得 X=λX1+μX2
则 n−ϕ(X1)≤L,n−ϕ(X2)≤L,
由归纳假设,X1,X2 可以被表示成 X1,⋯,Xk 的凸组合。 即:
存在集合 {ui∈R:∑i=1kui=1,ui≥0,i∈N,1≤i≤k} , 使得: X1=∑i=1kuiXi
存在集合 {vi∈R:∑i=1kvi=1,vi≥0,i∈N,1≤i≤k} , 使得: X2=∑i=1kviXi
则
X=λX1+μX2=λ∑i=1kuiXi+μ∑i=1kviXi=∑i=1k(λui+μvi)Xi
其中 ∑i=1k(λui+μvi)=λ∑i=1kui+μ∑i=1kvi=λ+μ=1,
λui+μvi≥0,∀,i∈N,1≤i≤k
由1)2),命题成立。
∀X∈S, 显然 0≤ϕ(X)≤n, 因此 X 可以被表示成 X1,⋯,Xk 的凸组合。
4.2.2 无界情况下
若 S 无界,∀X0∈S,
令 a=max({|Xi|:i∈N,1≤i≤k}∪{|X0|}),
多面集 S¯={X∈S:|X|≤a},
则 ∀i∈N,1≤i≤k,Xi∈S¯, 由于 S¯⊆S, 因此 Xi 也是 S¯ 的极点。
由于 S¯ 有界,则由结论1, S¯ 有有限个极点,不妨设其他极点为 {Xk+1,⋯,Xk+q}, 由结论4.2.1, X0 可以被表示成 X1,⋯,Xk+q 的凸组合。
即存在集合 {λi∈R:∑i=1k+qλi=1,λi≥0,i∈N,1≤i≤k+q} , 使得:
X0=∑i=1k+qλiXi=∑i=1kλiXi+∑i=k+1k+qλiXi
下面证明:
设 X 是 S¯ 的极点,但不是 S 的极点。则:
X 可表示成 S 中的一个极点 X′ 与 S 中的一个极方向 d⃗ 的和,即: X=X′+d⃗
证明:
不妨设:
{ciX=b′i,i∈N,1≤i≤pciX<b′i,i∈N,p+1≤i≤m+n(1)
其中 p∈N,0≤p≤m+n
令 C1=⎛⎝⎜⎜c1⋮cp⎞⎠⎟⎟, C2=⎛⎝⎜⎜cp+1⋮cm+n⎞⎠⎟⎟,β1=⎛⎝⎜⎜b′1⋮b′p⎞⎠⎟⎟,β2=⎛⎝⎜⎜b′p+1⋮b′m+n⎞⎠⎟⎟,
则(1) 可化为: {C1X=β1C2X<β2
由于 X 不是 S 的极点,因此 r(C1)<n
令 cm+n+1=11×n,b′m+n+1=a,
则 S¯={X∈Rn:ciX≤b′i,i∈N,1≤i≤m+n+1}
令向量组 M={ci:ciX=b′i,i∈N,1≤i≤m+n+1}
由于 X 是 S¯ 的极点,因此 r(M)=n,
若 |X|<a, 则 M=C1, 于是 r(M)=r(C1)<n, 与 r(M)=n 矛盾。因此 |X|=a
令 C3=(C1cm+n+1),β3=(β2b′m+n+1),
则 M=C3, 因此 r(C3)=n
于是 r(C1)≥n−1, 因此 ϕ(X)=r(C1)=n−1
根据多面集的点的性质2, ∃Y∈Rn,Y≠0⃗ ,∃t0∈R, ∃X′=X+t0Y∈S,
使得 ϕ(X′)≥ϕ(X)+1=n−1+1=n, 因此 X′ 是 S 的一个极点。
且 ∀i∈N,1≤i≤m+n, 若 ciX=b′i 则 ciX′=b′i 即 C1Y=0⃗
不妨设 t0<0 (否则 t0>0, 可取 t′0=−t0<0,Y′=−Y )
下面证明 ∀t>0, X+tY∈S :
若 ∃t1>0, 使得 X+t1Y∉S, 由于 S 是凸集,则 ∀t>t1, X+tY∉S, 否则 X+t1Y=t−t1tX+t1t(X+tY)∈S, 与 X+t1Y∉S 矛盾。
于是集合 T1={t∈R:X+tY∈S} 存在上界。则集合 T2={t∈R:tC2Y<β2−C2X}⊆T1 存在上界。
根据多面集的点的性质的引理, ∃t2>0, ∃X∗=X+t2Y∈S, 使得 ϕ(X∗)≥ϕ(X)+1=n−1+1=n,
因此 X∗ 是 S 的一个极点。
则 X=t2(−t0)+t2X′+−t0(−t0)+t2X∗=t2(−t0)+t2(X+t0Y)+−t0(−t0)+t2(X+t2Y)
于是 X 是 S 的两个极点 X′ 与 X∗ 的凸组合,又 X′,X∗∈S¯, 因此 X 不是 S¯ 的极点,与 X 是 S¯ 的极点矛盾。
因此 Y 是 S 内的一条射线的方向。由定理2, Y 是 S 的一个方向。令 d⃗ 1=Y|Y|, 则 d⃗ 1∈S′
由于 C1Y=0⃗ , 则 {C1d⃗ 1=0⃗ ∣∣d⃗ 1∣∣=1, 因此 C3d⃗ 1=(0⃗ 1),
由于 r(C3)=n, 因此 d⃗ 是 S′ 的一个极点。
因此 Y 是 S 的一个极方向。则 d⃗ =−t0Y 也是 S 的一个极方向。
则 X=X′−t0Y=X′+d⃗
于是 ∀i∈N,k+1≤i≤k+q, 存在 ni,mi∈N,1≤ni≤k,1≤mi≤l, 存在 wi≥0 ,使得 Xi=Xni+wid⃗ mi
因此 X0=∑i=1kλiXi+∑i=k+1k+qλi(Xni+wid⃗ mi)=∑i=1kλiXi+∑i=k+1k+qλiXni+∑i=k+1k+qλiwid⃗ mi
合并同类项即得结论:
1) 令 ni=i,1≤i≤k, δij={1,0,ni=j,ni≠j,1≤i≤k+q,1≤j≤k 则:
∑i=1kλiXi+∑i=k+1k+qλiXni=∑i=1k+qλiXni =∑i=1k+qλi(∑j=1kδijXj) =∑j=1k(∑i=1k+qλiδij)Xj
且 ∑j=1k(∑i=1k+qλiδij)=∑i=1k+qλi(∑j=1kδij)=∑i=1k+qλi=1,
∑i=1k+qλiδij≥0,∀j∈N,1≤j≤k
2) 令 σij={1,0,mi=j,mi≠j,k+1≤i≤k+q,1≤j≤l
则 ∑i=k+1k+qλiwid⃗ mi=∑i=k+1k+qλiwi(∑j=1lσijd⃗ j)=∑j=1l(∑i=k+1k+qλiwiσij)d⃗ j,
且 ∑i=k+1k+qλiwiσij≥0,∀j∈N,1≤j≤l