面積大於零的有界閉凸集的邊界一定是簡單閉曲線嗎?

時間 2021-05-30 17:42:38

1樓:原味

如樓上答主所說,可以視作「歐氏空間的緊凸集同胚於單位閉球」的推論。補充乙個以前寫過的詳細點的證明

邊界應該還有更強的正則性,比如實分析告訴我們R上的凸函式幾乎處處二階可導。

2樓:David KZ

首先,平面上乙個閉凸集的面積大於零,說明該集合的仿射包一定是全空間,從而一定具有內部。因為凸集的性質導致其一定有相對內部,面積大於零就確保了凸集的維數。

乙個二維的有界閉凸集的邊界一定是簡單閉曲線。不僅如此,乙個n維的有界閉凸集的邊界一定同胚於n維球面。而且,我們可以構造地證明這一點。

只需要把凸集平移使得原點在凸集內部,那麼從原點出發的任意一條射線一定只與凸集邊界交於一點。否則,由於原點在凸集內部,則有乙個邊界點在另乙個邊界點與原點的連線上,而根據凸集性質,這根連線除了兩端點都在凸集(相對)內部,這就矛盾了。又由於題設凸集有界,我們也就構造了任意方向的射線與凸集邊界上的點的一一對應,也即單位球面的點與凸集的一一對應。

下面說明連續。取閉凸集邊界上的乙個開集A,容易證明其對應的射線的並是乙個開的錐。記錐為K,取錐上的乙個點a,一定對應閉凸集邊界上的乙個點a',則存在該邊界點a'為心的開球B(a'),使得B(a')完全包含在錐K裡。

假設不存在,那我們就找到了一列趨於a'的點列a_n,且a_n不屬於錐K。我們過原點向這些a_n做射線與邊界的交點a_n'也就不在開集A中且趨於a'而這與a'是開集A中的點矛盾。從而我們找到了B(a'),沿著射線射影變換到以a為中心的開球也在錐K裡於是錐K是R^n中的開集。

從而錐K交單位球得到其上的開集。由於單位球也是有界閉凸集,反過來一樣成立。於是兩個方向對映都是連續的了。

綜上我們構造地證明了兩者同胚,此時原問題就是該結論的乙個推論。與簡單閉曲線同胚的流形也是簡單閉曲線,而二維單位圓是乙個簡單閉曲線。

應該也可以不用同胚這樣的工具,直接構造這樣的閉曲線也是可以的,這裡是想推廣到有限維,說明有界閉凸集是多麼好性質的一種集合,好到可以當作單位球來處理。

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