हाइपरप्लेन पृथक्करण प्रमेय

Hyperplane separation theorem

Illustration of the hyperplane separation theorem.
Type	Theorem
Field	Convex geometry Topological vector spaces Collision detection
Conjectured by	Hermann Minkowski
Open problem	No
Generalizations	Hahn–Banach separation theorem

ज्यामिति में, hyperplane पृथक्करण प्रमेय, 'एन'-आयामी यूक्लिडियन अंतरिक्ष में अलग करना सेट उत्तल सेट के बारे में एक प्रमेय है। कई समान संस्करण हैं। प्रमेय के एक संस्करण में, यदि ये दोनों सेट बंद सेट हैं और उनमें से कम से कम एक कॉम्पैक्ट सेट है, तो उनके बीच में एक हाइपरप्लेन है और उनके बीच दो समानांतर हाइपरप्लेन भी एक अंतर से अलग हो गए हैं। दूसरे संस्करण में, यदि दोनों असंयुक्त उत्तल सेट खुले हैं, तो उनके बीच एक हाइपरप्लेन है, लेकिन जरूरी नहीं कि कोई अंतराल हो। एक अक्ष जो एक अलग करने वाले हाइपरप्लेन के लिए ऑर्थोगोनल है, एक पृथक करने वाला अक्ष है, क्योंकि अक्ष पर उत्तल पिंडों के ऑर्थोगोनल प्रोजेक्शन (सेट सिद्धांत) असंयुक्त हैं।

हाइपरप्लेन पृथक्करण प्रमेय हरमन मिन्कोव्स्की के कारण है। हान-बनाक प्रमेय#हन-बनाक पृथक्करण प्रमेय|हन-बनाक पृथक्करण प्रमेय स्थलीय सदिश स्थानों के परिणाम का सामान्यीकरण करता है।

एक संबंधित परिणाम सहायक हाइपरप्लेन प्रमेय है।

समर्थन वेक्टर यंत्र के संदर्भ में, सर्वश्रेष्ठ रूप से हाइपरप्लेन को अलग करना या अधिकतम-मार्जिन हाइपरप्लेन एक हाइपरप्लेन है जो बिंदुओं के दो उत्तल हल्स को अलग करता है और दोनों से समान दूरी पर है।

कथन और प्रमाण

सभी मामलों में मान लीजिए $A,B$ असंयुक्त, अरिक्त और के उत्तल उपसमुच्चय होना $\mathbb {R} ^{n}$. परिणामों का सारांश इस प्रकार है:

summary table

$A$	$B$	$\langle x,v\rangle$	$\langle y,v\rangle$
		$\geq c$	$\leq c$
closed compact	closed	$>c_{1}$	$<c_{2}$ with $c_{2}<c_{1}$
closed	closed compact	$>c_{1}$	$<c_{2}$ with $c_{2}<c_{1}$
open		$>c$	$\leq c$
open	open	$>c$	$<c$

Hyperplane separation theorem — Let $A$ and $B$ be two disjoint nonempty convex subsets of $\mathbb {R} ^{n}$. Then there exist a nonzero vector $v$ and a real number $c$ such that

$\langle x,v\rangle \geq c\,{\text{ and }}\langle y,v\rangle \leq c$

for all $x$ in $A$ and $y$ in $B$; i.e., the hyperplane $\langle \cdot ,v\rangle =c$, $v$ the normal vector, separates $A$ and $B$.

If both sets are closed, and at least one of them is compact, then the separation can be strict, that is, $\langle x,v\rangle >c_{1}\,{\text{ and }}\langle y,v\rangle <c_{2}$ for some $c_{1}>c_{2}$

आयामों की संख्या परिमित होनी चाहिए। अनंत-आयामी स्थानों में दो बंद, उत्तल, असंयुक्त सेट के उदाहरण हैं जिन्हें एक बंद हाइपरप्लेन (एक हाइपरप्लेन जहां एक सतत रैखिक कार्यात्मक कुछ स्थिरांक के बराबर होता है) से अलग नहीं किया जा सकता है, यहां तक ​​कि कमजोर अर्थों में भी जहां असमानताएं सख्त नहीं हैं। यहाँ, परिकल्पना में सघनता को शिथिल नहीं किया जा सकता है; Hyperplane_separation_theorem#Counterexamples_and_uniqueness अनुभाग में एक उदाहरण देखें। पृथक्करण प्रमेय का यह संस्करण अनंत-आयाम का सामान्यीकरण करता है; सामान्यीकरण को आमतौर पर हैन-बनच_प्रमेय#Hahn.E2.80.93बनच_पृथक्करण_प्रमेय|हाह्न-बनाक पृथक्करण प्रमेय के रूप में जाना जाता है।

सबूत निम्नलिखित लेम्मा पर आधारित है:

Lemma — Let $A$ and $B$ be two disjoint closed subsets of $\mathbb {R} ^{n}$, and assume $A$ is compact. Then there exist points $a_{0}\in A$ and $b_{0}\in B$ minimizing the distance $\|a-b\|$ over $a\in A$ and $b\in B$.

Proof of lemma

Let $a\in A$ and $b\in B$ be any pair of points, and let $r_{1}=\|b-a\|$. Since $A$ is compact, it is contained in some ball centered on $a$; let the radius of this ball be $r_{2}$. Let $S=B\cap {\overline {B_{r_{1}+r_{2}}(a)}}$ be the intersection of $B$ with a closed ball of radius $r_{1}+r_{2}$ around $a$. Then $S$ is compact and nonempty because it contains $b$. Since the distance function is continuous, there exist points $a_{0}$ and $b_{0}$ whose distance $\|a_{0}-b_{0}\|$ is the minimum over all pairs of points in $A\times S$. It remains to show that $a_{0}$ and $b_{0}$ in fact have the minimum distance over all pairs of points in $A\times B$. Suppose for contradiction that there exist points $a'$ and $b'$ such that $\|a'-b'\|<\|a_{0}-b_{0}\|$. Then in particular, $\|a'-b'\|<r_{1}$, and by the triangle inequality, $\|a-b'\|\leq \|a'-b'\|+\|a-a'\|<r_{1}+r_{2}$. Therefore $b'$ is contained in $S$, which contradicts the fact that $a_{0}$ and $b_{0}$ had minimum distance over $A\times S$. $\square$

प्रमाण चित्रण।

Proof of theorem

We first prove the second case. (See the diagram.)

WLOG, $A$ is compact. By the lemma, there exist points $a_{0}\in A$ and $b_{0}\in B$ of minimum distance to each other. Since $A$ and $B$ are disjoint, we have $a_{0}\neq b_{0}$. Now, construct two hyperplanes $L_{A},L_{B}$ perpendicular to line segment $[a_{0},b_{0}]$, with $L_{A}$ across $a_{0}$ and $L_{B}$ across $b_{0}$. We claim that neither $A$ nor $B$ enters the space between $L_{A},L_{B}$, and thus the perpendicular hyperplanes to $(a_{0},b_{0})$ satisfy the requirement of the theorem.

Algebraically, the hyperplanes $L_{A},L_{B}$ are defined by the vector $v:=b_{0}-a_{0}$, and two constants $c_{A}:=\langle v,a_{0}\rangle <c_{B}:=\langle v,b_{0}\rangle$, such that $L_{A}=\{x:\langle v,x\rangle =c_{A}\},L_{B}=\{x:\langle v,x\rangle =c_{B}\}$. Our claim is that $\forall a\in A,\langle a,v\rangle \leq c_{A}$ and $\forall b\in B,\langle b,v\rangle \leq c_{B}$.

Suppose there is some $a\in A$ such that $\langle a,v\rangle >c_{A}$, then let $a'$ be the foot of perpendicular from $b_{0}$ to the line segment $[a_{0},a]$. Since $A$ is convex, $a'$ is inside $A$, and by planar geometry, $a'$ is closer to $b_{0}$ than $a_{0}$, contradiction. Similar argument applies to $B$.

Now for the first case.

Approach both $A,B$ from the inside by $A_{1}\subseteq A_{2}\subseteq \cdots \subseteq A$ and $B_{1}\subseteq B_{2}\subseteq \cdots \subseteq B$, such that each $A_{k},B_{k}$ is closed and compact, and the unions are the relative interiors $\mathrm {relint} (A),\mathrm {relint} (B)$. (See relative interior page for details.)

Now by the second case, for each pair $A_{k},B_{k}$ there exists some unit vector $v_{k}$ and real number $c_{k}$, such that $\langle v_{k},A_{k}\rangle <c_{k}<\langle v_{k},B_{k}\rangle$.

Since the unit sphere is compact, we can take a convergent subsequence, so that $v_{k}\to v$. Let $c_{A}:=\sup _{a\in A}\langle v,a\rangle ,c_{B}:=\inf _{b\in B}\langle v,b\rangle$. We claim that $c_{A}\leq c_{B}$, thus separating $A,B$.

Assume not, then there exists some $a\in A,b\in B$ such that $\langle v,a\rangle >\langle v,b\rangle$, then since $v_{k}\to v$, for large enough $k$, we have $\langle v_{k},a\rangle >\langle v_{k},b\rangle$, contradiction.

चूँकि एक अलग करने वाला हाइपरप्लेन खुले उत्तल सेटों के अंदरूनी हिस्सों को नहीं काट सकता है, हमारे पास एक परिणाम है:

Separation theorem I — Let $A$ and $B$ be two disjoint nonempty convex sets. If $A$ is open, then there exist a nonzero vector $v$ and real number $c$ such that

$\langle x,v\rangle >c\,{\text{ and }}\langle y,v\rangle \leq c$

for all $x$ in $A$ and $y$ in $B$. If both sets are open, then there exist a nonzero vector $v$ and real number $c$ such that

$\langle x,v\rangle >c\,{\text{ and }}\langle y,v\rangle <c$

for all $x$ in $A$ and $y$ in $B$.

संभावित चौराहों के साथ मामला

अगर सेट करता है $A,B$ संभावित चौराहे हैं, लेकिन उनके सापेक्ष इंटीरियर अलग हैं, तो पहले मामले का सबूत अभी भी बिना किसी बदलाव के लागू होता है, इस प्रकार उपज:

Separation theorem II — Let $A$ and $B$ be two nonempty convex subsets of $\mathbb {R} ^{n}$ with disjoint relative interiors. Then there exist a nonzero vector $v$ and a real number $c$ such that

$\langle x,v\rangle \geq c\,{\text{ and }}\langle y,v\rangle \leq c$

विशेष रूप से, हमारे पास सहायक हाइपरप्लेन प्रमेय है।

Supporting hyperplane theorem — if $A$ is a convex set in $\mathbb {R} ^{n},$ and $a_{0}$ is a point on the boundary of $A$, then there exists a supporting hyperplane of $A$ containing $a_{0}$.

Proof

If the affine span of $A$ is not all of $\mathbb {R} ^{n}$, then extend the affine span to a supporting hyperplane. Else, $\mathrm {relint} (A)=\mathrm {int} (A)$ is disjoint from $\mathrm {relint} (\{a_{0}\})=\{a_{0}\}$, so apply the above theorem.

प्रमेय का विलोम

ध्यान दें कि एक हाइपरप्लेन का अस्तित्व जो केवल दो उत्तल सेटों को अलग करता है, दोनों असमानताओं के कमजोर अर्थों में गैर-सख्त होने का स्पष्ट रूप से यह अर्थ नहीं है कि दो सेट अलग हैं। दोनों सेटों में हाइपरप्लेन पर स्थित बिंदु हो सकते हैं।

प्रति उदाहरण और विशिष्टता

यदि निकायों में से एक उत्तल नहीं है तो प्रमेय लागू नहीं होता है।

यदि ए या बी में से एक उत्तल नहीं है, तो कई संभावित प्रति उदाहरण हैं। उदाहरण के लिए, A और B संकेंद्रित वृत्त हो सकते हैं। एक अधिक सूक्ष्म प्रति उदाहरण वह है जिसमें ए और बी दोनों बंद हैं लेकिन कोई भी कॉम्पैक्ट नहीं है। उदाहरण के लिए, यदि ए एक बंद आधा विमान है और बी हाइपरबोला के एक हाथ से घिरा हुआ है, तो कोई सख्ती से अलग करने वाला हाइपरप्लेन नहीं है:

$A=\{(x,y):x\leq 0\}$

$B=\{(x,y):x>0,y\geq 1/x\}.\$

(हालांकि, दूसरे प्रमेय के एक उदाहरण से, एक हाइपरप्लेन है जो उनके आंतरिक भाग को अलग करता है।) एक अन्य प्रकार के प्रति उदाहरण में A कॉम्पैक्ट और B खुला है। उदाहरण के लिए, A एक बंद वर्ग हो सकता है और B एक खुला वर्ग हो सकता है जो A को छूता है।

प्रमेय के पहले संस्करण में, स्पष्ट रूप से अलग करने वाला हाइपरप्लेन कभी भी अद्वितीय नहीं होता है। दूसरे संस्करण में, यह अद्वितीय हो भी सकता है और नहीं भी। तकनीकी रूप से एक अलग करने वाली धुरी कभी भी अद्वितीय नहीं होती क्योंकि इसका अनुवाद किया जा सकता है; प्रमेय के दूसरे संस्करण में, एक अलग अक्ष अनुवाद तक अद्वितीय हो सकता है।

हॉर्न कोण कई हाइपरप्लेन अलगावों के लिए एक अच्छा प्रति उदाहरण प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, में $\mathbb {R} ^{2}$, यूनिट डिस्क खुले अंतराल से अलग है $((1,0),(1,1))$, लेकिन उन्हें अलग करने वाली एकमात्र रेखा में संपूर्णता शामिल है $((1,0),(1,1))$. इससे पता चलता है कि अगर $A$ बंद है और $B$ अपेक्षाकृत खुला है, तो जरूरी नहीं कि एक अलगाव मौजूद हो जो सख्त हो $B$. हालांकि, यदि $A$ बंद polytope है तो ऐसा अलगाव मौजूद है।

अधिक प्रकार

फ़ार्कस लेम्मा और संबंधित परिणामों को हाइपरप्लेन पृथक्करण प्रमेय के रूप में समझा जा सकता है, जब उत्तल पिंडों को सूक्ष्म रूप से कई रेखीय असमानताओं द्वारा परिभाषित किया जाता है।

और भी नतीजे मिल सकते हैं।

टक्कर का पता लगाने में प्रयोग करें

टकराव का पता लगाने में, हाइपरप्लेन अलगाव प्रमेय आमतौर पर निम्न रूप में प्रयोग किया जाता है:

Separating axis theorem — Two closed convex objects are disjoint if there exists a line ("separating axis") onto which the two objects' projections are disjoint.

आयाम के बावजूद, अलग करने वाली धुरी हमेशा एक रेखा होती है। उदाहरण के लिए, 3डी में, अंतरिक्ष को विमानों द्वारा अलग किया जाता है, लेकिन अलग करने वाला अक्ष अलग करने वाले विमान के लंबवत होता है।

बहुभुज मेश के बीच तेजी से टकराव का पता लगाने के लिए पृथक अक्ष प्रमेय लागू किया जा सकता है। प्रत्येक फलक (ज्यामिति) की सतह सामान्य या अन्य विशेषता दिशा का उपयोग पृथक करने वाले अक्ष के रूप में किया जाता है। ध्यान दें कि यह अलग-अलग अक्षों को अलग करता है, लाइनों/विमानों को अलग नहीं करता है।

3डी में, फेस नॉर्म्स का उपयोग अकेले कुछ एज-ऑन-एज गैर-टकराव वाले मामलों को अलग करने में विफल होगा। अतिरिक्त कुल्हाड़ियों की आवश्यकता होती है, जिसमें किनारों के जोड़े के क्रॉस-उत्पाद शामिल होते हैं, प्रत्येक वस्तु से एक लिया जाता है। बढ़ी हुई दक्षता के लिए, समानांतर अक्षों की गणना एकल अक्ष के रूप में की जा सकती है।

यह भी देखें

• दोहरी शंकु
• फ़र्कस की लेम्मा
• किर्चबर्गर प्रमेय
• इष्टतम नियंत्रण

संदर्भ

• Boyd, Stephen P.; Vandenberghe, Lieven (2004). Convex Optimization (PDF). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83378-3.
• Golshtein, E. G.; Tretyakov, N.V. (1996). Modified Lagrangians and monotone maps in optimization. New York: Wiley. p. 6. ISBN 0-471-54821-9.
• Shimizu, Kiyotaka; Ishizuka, Yo; Bard, Jonathan F. (1997). Nondifferentiable and two-level mathematical programming. Boston: Kluwer Academic Publishers. p. 19. ISBN 0-7923-9821-1.

• Soltan, V. (2021). Support and separation properties of convex sets in finite dimension. Extracta Math. Vol. 36, no. 2, 241-278.

बाहरी संबंध

• Collision detection and response