Кіріспе

Берілген жиынтықты қамтитын ең кішкентай дөңес жиын, берілген пішінді қоршайтын ең кішкентай дөңес пішін. Геометрияда, дөңес қабықша, дөңес конверт немесе дөңес жабылу – бұл оны қамтитын ең кішкентай дөңес жиын. Дөңес қабықшаны Евклид кеңістігінің берілген ішкі жиынын қамтитын барлық дөңес жиындардың қиылысы ретінде немесе, балама түрде, ішкі жиындағы нүктелердің барлық дөңес комбинацияларының жиынтығы ретінде анықтауға болады. Жазықтықтағы шектелген ішкі жиын үшін, дөңес қабықшаны сол ішкі жиынның айналасына керілген резеңке таспамен қоршалған пішін ретінде көруге болады. Ашық жиындардың дөңес қабықшалары ашық, ал ықшам жиындардың дөңес қабықшалары ықшам болады. Кез келген ықшам дөңес жиын – оның шеткі нүктелерінің дөңес қабықшасы. Дөңес қабықша операторы – жабылу операторының мысалы, және кез келген антиматроидты осы жабылу операторын нүктелердің шекті жиынына қолдану арқылы бейнелеуге болады. Жазықтықтағы немесе басқа да төмен өлшемді Евклид кеңістіктеріндегі нүктелердің шекті жиынының дөңес қабықшасын табудың алгоритмдік мәселелері және жарты кеңістіктердің қиылысының қосымша мәселесі – есептеу геометриясының негізгі мәселелері болып табылады. Оларды екі немесе үш өлшемді нүктелік жиындар үшін уақыт ішінде шешуге болады, ал жоғары өлшемдерде жоғарғы шектеу теоремасымен берілген нашар жағдайдың шығыс күрделілігіне сәйкес келеді. Сонымен қатар, шекті нүктелер жиынтықтары үшін, дөңес қабықшалар қарапайым көпбұрыштар, Браун қозғалысы, кеңістіктегі қисықтар және функциялардың эпиграфтары үшін де зерттелді. Дөңес қабықшалар математика, статистика, комбинаторлық оптимизация, экономика, геометриялық модельдеу және этологияда кеңінен қолданылады. Қатысты құрылымдарға ортогональды дөңес қабықша, дөңес қабаттар, Делонай триангуляциясы және Вороной диаграммасы, сондай-ақ дөңес бас сүйегі жатады.

Анықтамалардың теңдестігі

Бірінші анықтаманың мәні бар екені айқын емес: әрбір үшін неге бірегей ең кішкентай дөңес жиын болуы керек? Дегенмен, екінші анықтама, яғни қамтитын барлық дөңес жиындардың қиылысы, дұрыс анықталған. себебі ол қиылысатын жиындардың арасында қамтылғандықтан, басқа дөңес жиынның кіші жиыны болып табылады. Осылайша, ол дәл сол бірегей ең кішкентай дөңес жиын болып табылады. Сондықтан, алғашқы екі анықтама эквивалентті. қамтитын әрбір дөңес жиын (дөңес екендігін ескере отырып) жиынның дөңес комбинацияларының барлығын қамтуы керек, сондықтан барлық дөңес комбинациялар жиыны қамтитын барлық дөңес жиындардың қиылысында орналасқан. Керісінше, барлық дөңес комбинациялар жиыны өзі дөңес жиын болып табылады және қамтиды, сондықтан ол қамтитын барлық дөңес жиындардың қиылысын да қамтиды, демек екінші және үшінші анықтамалар эквивалентті. Шындығында, Каратеодори теоремасына сәйкес, егер жиын өлшемді Евклид кеңістігінің кіші жиыны болса, онда одан алынған шекті көп нүктенің кез келген дөңес комбинациясы да нүктенің дөңес комбинациясы болып табылады. Нүктенің дөңес комбинациялары жиыны – симплекс; жазықтықта ол үшбұрыш, ал үшөлшемді кеңістікте – тетраэдр болып табылады. Сондықтан, жиынның кез келген дөңес комбинациясы симплекске жатады, оның төбелері жиынға тиесілі, және үшінші және төртінші анықтамалар эквивалентті.

Жабық және ашық корпустар

Жинақтың жабық дөңгелек қабығы – дөңгелек қабықтың жабылуы, ал ашық дөңгелек қабық – дөңгелек қабықтың ішкі бөлігі (немесе кейбір дереккөздерде салыстырмалы ішкі бөлігі). Егер жинақтың дөңгелек қабығы өзі жабық жиын болса (мысалы, жинақ шекті немесе жалпылама айтқанда, компакт жиын болса), онда ол жабық дөңгелек қабыққа тең болады. Дегенмен, жабық жарты кеңістіктердің қиылысуы өзі жабық болады, сондықтан дөңгелек қабық жабық болмаған жағдайда оны осылай көрсету мүмкін емес. Егер жинақтың ашық дөңгелек қабығы өлшемді болса, онда қабықтың әрбір нүктесі нүктелердің ашық дөңгелек қабығына жатады. Төртбұрыш, дұрыс октаэдр немесе жоғары өлшемді қиылыс политопының төбелері жиынтығы дәл нүктелердің қажеттілігін көрсететін мысалдар болып табылады.

Топологиялық қасиеттерді сақтау

Топологиялық тұрғыдан алғанда, ашық жиынның дөңес қабығы әрқашан өзі ашық, ал тығыз жиынның дөңес қабығы әрқашан өзі тығыз болады. Дегенмен, дөңес қабығы жабық емес жабық жиындар да бар. Мысалы, жабық жиын (Агнези сиқыршысының графигінде немесе оның үстінде жатқан нүктелер жиыны) үшін дөңес қабық – ашық жоғарғы жартыжазықтық болып табылады. Тығыз жиындардың дөңес қабығының тығыздығы, шекті өлшемді Евклид кеңістіктерінде, Крейнин-Смулиан теоремасымен кеңейтіледі. Оған сәйкес, Банах кеңістігінің әлсіз тығыз жиынының жабық дөңес қабығы (әлсіз топологияда тығыз жиын) әлсіз тығыз болады.

Шекті нүктелері

Дөңес жиынның шеткі нүктесі – бұл жиынның басқа екі нүктесі арасындағы ашық кесіндіде жатпайтын нүкте. Дөңес қабықша үшін әрбір шеткі нүкте берілген жиынның құрамында болуы керек, әйтпесе оны берілген нүктелердің дөңес комбинациясы ретінде құру мүмкін емес. Крейн-Милман теоремасына сәйкес, Евклид кеңістігінде (немесе жалпы алғанда, жергілікті дөңес топологиялық векторлық кеңістікте) кез келген тығыз дөңес жиын – оның шеткі нүктелерінің дөңес қабықшасы болып табылады. Дегенмен, бұл тығыз емес дөңес жиындар үшін дұрыс болмауы мүмкін; мысалы, бүкіл Евклид жазықтығы және ашық бірлік шар – екеуі де дөңес, бірақ екеуінің де шеткі нүктелері жоқ. Шоке теориясы осы теорияны шеткі нүктелердің шекті дөңес комбинацияларынан әлдеқайда жалпы кеңістіктердегі шексіз комбинацияларға (интегралдарға) дейін кеңейтеді.

Минковский сомасы

Конвекс корпусты құру және Минковский қосындысын алу операциялары бір-бірімен ауыстырылатындықтан, жиынтықтардың конвекс корпустарының Минковский қосындысы, сол жиынтықтардың Минковский қосындысының конвекс корпусымен бірдей нәтиже береді. Бұл, Минковский қосындысының конвекс корпусынан арақашықтығын шектейтін Шапли-Фолкман теоремасына жасалған қадам болып табылады.

Проективті дуалдық

Нүктелер жиынының дөңгелек қабығын салуға проекциялық қос операция – бастауыш (немесе кез келген басқа белгіленген нүкте) кіретін жабық жартылай кеңістіктер жиынының қиылысын салу болып табылады.

Түпкі нүктелер жиынтығы

Шекті нүктелер жиынының дөңгелек қабығы, егер жағдайда дөңгелек көпбұрыш құрайды, ал жалпы жағдайда – дөңгелек политоп. Қабықтың әрбір шеткі нүктесі шыңы деп аталады, және (Крейн-Милман теоремасы бойынша) кез келген дөңгелек политоп – оның шыңдарының дөңгелек қабығы болып табылады. Бұл – берілген жиындағы шыңдары бар және осы жиынды толығымен қамтитын бірегей дөңгелек политоп. Егер нүктелердің орналасуы ерекше болса, дөңгелек қабық – симплекстік политоп болады. Жоғарғы шек теоремасына сәйкес, n-өлшемді Евклид кеңістігіндегі n нүктелердің дөңгелек қабығының жақтарының саны тең. Атап айтқанда, екі және үш өлшемде жақтардың саны ең көп дегенде n-ге пропорционалды.

Қарапайым көпбұрыш

Қарапайым көпбұрыштың дөңес қабығы берілген көпбұрышты қоршап алады және оны аймақтарға бөледі, олардың бірі – көпбұрыштың өзі. Қалған аймақтар, көпбұрыштың көпбұрышты тізбегімен және дөңес қабықтың бір жиегімен шектелген, қалталар деп аталады. Әрбір қалта үшін осы ыдырауды рекурсивті түрде есептеу берілген көпбұрышқа иерархиялық сипаттама береді, бұл дөңес айырмашылықтар ағашы деп аталады. Қалтаны оның дөңес қабық жиегі бойынша көшіру берілген қарапайым көпбұрышты бірдей периметрлі, бірақ үлкенірек ауданы бар көпбұрышқа кеңейтеді, ал Эрдёс-Наги теоремасы осы кеңейту процесі соңында тоқтатылады деп күмәнданбайды.

Браун қозғалысы

Браундық қозғалыс жазықтықта тудырған қисықтың, кез келген белгілі бір уақытта, шекарасы үздіксіз дифференциалданатын қисық құрайтын дөңгелек қабықшаға ие болу ықтималдығы 1-ге тең. Дегенмен, [0, 2π] диапазонындағы кез келген бұрыш үшін, Браундық қозғалыс барысында қозғалатын бөлшек дөңгелек қабықшаның шекарасына сол бұрыштағы нүктеде жанасатын уақыттар болады. Осы ерекше уақыттар жиынының Хаусдорф өлшемі (жоғары ықтималдықпен) 1/2-ге тең.

Ғарыш қисықтары

Үш өлшемді кеңістікте жалпы орналасқан кеңістіктегі қисық немесе кеңістіктегі қисықтардың шекті жиынтығының дөңгелек қабығы үшін, қисықтардан алыс жатқан шекараның бөліктері дами алатын және түзу сызықты беттер болып табылады. Мысалдарға олоид, перпендикуляр жазықтықтағы екі шеңбердің дөңгелек қабығы, әрқайсысы екіншісінің центрі арқылы өтетін, сфералық, ортақ центрі бар перпендикуляр жазықтықтағы екі жарты шеңбердің дөңгелек қабығы және D пішіндері жатады – бұл екі жазық дөңгелек жиынтығын біріктіру арқылы құрылған бет үшін Александровтың бірегейлік теоремасынан алынған дөңгелек пішіндер.

Функциялар

Шынайы векторлық кеңістіктегі функцияның дөңгелек қабығы немесе төменгі дөңгелек қабығы – бұл функцияның эпиграфы, оның эпиграфының төменгі дөңгелек қабығын құрайтын функция. Бұл функцияны басып отыратын бірегей максималды дөңгелек функция. Анықтаманы функциялар жиынының дөңгелек қабығына кеңейтуге болады (олардың эпиграфтарының бірігімінің дөңгелек қабығынан немесе олардың нүктелік ең кіші мәнінен алынған), және осы формада ол дөңгелек қосымша операциясына қарама-қарсы болады.

Есептеу

Есептеу геометриясында, шекті нүктелер жиыны және басқа геометриялық нысандар үшін дөңес қабықшаны (convex hull) есептеуге арналған бірнеше алгоритмдер белгілі. Дөңес қабықшаны есептеу – қажетті дөңес пішіннің бірегей, тиімді бейнелеуін құруды білдіреді. Нүктелер жиынының дөңес қабықшалары үшін қарастырылатын шығыс бейнелеріне қабықшаның жақтарын сипаттайтын сызықтық теңсіздіктер тізімі, жақтар мен олардың жанасуларының бағытталмаған графигі немесе қабықшаның толық беттік торлары жатады. Екі өлшемде, қабықшаның айналасындағы циклдық ретпен орналасқан, төбелік нүктелерді тізімдеу жеткілікті болуы мүмкін. Екі немесе үш өлшемді дөңес қабықшалар үшін тиісті алгоритмдердің күрделілігі әдетте *n*, кіріс нүктелерінің саны, және *h*, дөңес қабықшадағы нүктелердің саны арқылы бағаланады, бұл *n*-ден әлдеқайда кіші болуы мүмкін. Жоғары өлшемді қабықшалар үшін, басқа өлшемдердегі жақтардың саны да талдауға тартылуы мүмкін. Грэхемнің сканилеу әдісі жазықтықтағы *n* нүктелердің дөңес қабықшасын *O(n log n)* уақытында есептей алады. Екі және үш өлшемдегі нүктелер үшін, дөңес қабықшаны *O(n log n)* уақытында есептей алатын күрделі шығысқа сезімтал алгоритмдер белгілі. Оларға Чан алгоритмі және Киркпатрик–Сейдель алгоритмі кіреді. *d* өлшем үшін, дөңес қабықшаны есептеу уақыты *O(n^(d/2))*, мәселенің ең нашар жағдайдағы шығыс күрделілігімен сәйкес келеді. Жазықтықтағы қарапайым көпбұрыштың дөңес қабықшасын сызықтық уақытта құруға болады. Динамикалық дөңес қабықша деректер құрылымдары нүктелерді қосу және жою арқылы өзгеретін нүктелер жиынының дөңес қабықшасын қадағалау үшін пайдаланылуы мүмкін, ал кинетикалық дөңес қабықша құрылымдары үздіксіз қозғалатын нүктелер үшін дөңес қабықшаны қадағалауға мүмкіндік береді. Дөңес қабықшаны құру сонымен қатар құрал ретінде, басқа есептеу геометриялық алгоритмдерінің құрылыс блогы ретінде қызмет етеді, мысалы, нүктелер жиынының ені мен диаметрін есептеу үшін қолданылатын айналатын калиперлер әдісі.

Қолданбалар

Конвекс корпустар көптеген салаларда кеңінен қолданылады. Математикада конвекс корпустар полиномдарды, матрицалық өзіндік шамаларды және унитарлық элементтерді зерттеу үшін қолданылады, сондай-ақ дискретті геометриядағы бірнеше теоремалар конвекс корпустарды қамтиды. Олар беріктік статистикасында Туки тереңдігінің сыртқы контуры ретінде, екі өлшемді деректерді визуализациялаудың бір бөлігі ретінде және рандомизацияланған шешім қабылдау ережелерінің тәуекел жиынтығын анықтау үшін қолданылады. Комбинаторлық есептердің индикаторлық векторларының конвекс корпустары комбинаторлық оптимизация және полиэдрлік комбинаториканың маңызды бөлігі болып табылады. Экономикада конвекс корпустар экономикадағы конвекстік әдістерді конвекс емес нарықтарға қолдану үшін пайдаланылуы мүмкін. Геометриялық модельдеуде, конвекс корпус қасиеттері Безиер қисықтарының қиылысуын табуға көмектеседі, ал конвекс корпустар қайық қабырғаларын өлшеудің бір бөлігі болып табылады. Жануарлар мінез-құлқын зерттеуде конвекс корпустар үй аймағының стандартты анықтамасында қолданылады.

Математика

Бiр түрлi көпшелердiң Ньютон көпбұрыштары және көп түрлi көпшелердiң Ньютон политоптары – көпшелердiң мүшелерiнiң көрсеткiштерінен туындаған нүктелердiң дөңгелек қабығы (convex hull), және оларды көпшелердiң асимптотикалық қасиеттерiн және оның түбiрлерiнiң бағалауларын талдау үшiн пайдалануға болады. Дөңгелек қабықтар мен көпшелер де Гаусс-Лукас теоремасында кездеседi, оған сәйкес көпшелердiң туындысының түбiрлерi көпшелердiң түбiрлерiнiң дөңгелек қабығының iшiнде орналасады. Спектрлiк талдауда, нормальды матрицаның сандық диапазоны – оның өзiндiк мәндерiнiң дөңгелек қабығы болып табылады. Руссо-Дай теоремасы C* алгебрасындағы унитарлық элементтердiң дөңгелек қабықтарын сипаттайды. Дискреттiк геометрияда, Радон теоремасы да, Тверберг теоремасы да нүктелер жиынын қиылысатын дөңгелек қабықтары бар iшкі жиындарға бөлiп, олардың болуын қарастырады. Дөңгелек жиынның анықтамасы, оның нүктелерi арасындағы түзу сегменттерiн қамтиды, ал дөңгелек қабық – барлық дөңгелек үстi жиындардың қиылысы, гиперболалық және Евклид кеңiстiктерiне де қолданылады. Дегенмен, гиперболалық кеңiстiкте идеалды нүктелер жиынының дөңгелек қабықтарын қарастыру мүмкiн, бұл нүктелер гиперболалық кеңiстiктiң өзiне жатпайды, бiрақ оның моделі шекарасында орналасқан. Үш өлшемдi гиперболалық кеңiстiктiң идеалды нүктелерiнiң дөңгелек қабықтарының шекаралары Евклид кеңiстiгiндегi басқарылатын беттерге ұқсас, ал олардың метрикалық қасиеттерi төмен өлшемдi топологиядағы геометриялық гипотезада маңызды рөл атқарады. Гиперболалық дөңгелек қабықтар гиперболалық көптүрлiлiктердiң канондық үшбұрыштарын есептеуге де қолданылған, сондай-ақ түйiндердiң эквиваленттiлiгiн анықтауға қолданылған. Сондай-ақ, осы тақырыпқа дөңгелек қабықтарды қолдану үшiн Браун қозғалысы туралы бөлімді және дамытылатын беттер теориясына қолдану үшiн кеңiстiктегi қисықтар туралы бөлімді қараңыз.

Статистика

Берік статистикада, дөңгелек қабықша қораптық суреттеменің (bagplot) негізгі құрауыштардың бірі болып табылады, бұл екі өлшемді үлгілік нүктелердің таралуын визуализациялау әдісі. Tukey тереңдігінің контурлары дөңгелек жиындардың біріне бірі кіріктірілген отбасын құрайды, мұнда дөңгелек қабықша ең сыртқы жағында орналасқан, ал қораптық суреттеме осы біріне бірі кіріктірілген отбасынан тағы бір көпбұрыш – 50% тереңдіктің контурымен де көрсетіледі. Статистикалық шешімдер теориясында, кездейсоқ шешім ережесінің тәуекел жиыны – оның негізгі детерминистік шешім ережелерінің тәуекел нүктелерінің дөңгелек қабықшасы болып табылады.

Комбинаторлық оңтайландыру

Комбинаторлық оңтайландыру және полиэдрлік комбинаторикада зерттеудің басты нысандары – комбинаторлық есептердің шешімдерінің индикатор векторларының дөңгелек қабықшалары болып табылады. Егер осы политоптардың жақтары табылса, политоптарды жартылай кеңістіктердің қиылысы ретінде сипаттауға болады, содан кейін сызықтық бағдарламалауға негізделген алгоритмдерді ең жақсы шешімдерді табу үшін қолдануға болады. Көп мақсатты оңтайландыруда, дөңгелек қабықшаның тағы бір түрі қолданылады – шешімдердің салмақ векторларының дөңгелек қабықшасы. Кез келген квазидөңгелек салмақ комбинациясын дөңгелек қабықшаның әрбір төбесін тауып, тексеру арқылы максималдауға болады, бұл көбінесе барлық мүмкін шешімдерді тексеруден тиімдірек.

Экономика

Жалпы экономикалық тепе-теңдіктің Arrow-Debreu моделінде агенттердің конвекс бюджеттік жиынтығы және конвекс қалаулары бар деп есептеледі. Экономикадағы осы конвекстілік туралы болжамдар тепе-теңдіктің болуын дәлелдеуге қолданылуы мүмкін. Нақты экономикалық деректер конвекс емес болған жағдайда, оларды конвекс қабықшалар арқылы конвекске келтіруге болады. Шапли-Фолкман теоремасы үлкен нарықтар үшін бұл жуықтаудың дәл екенін және бастапқы конвекс емес нарық үшін "квази тепе-теңдікке" алып келетінін көрсетуге болады.

Геометриялық модельдеу

Геометриялық модельдеуде Безиер қисығының маңызды қасиеттерінің бірі – оның бақылау нүктелерінің дөңес қабырғасының ішінде жатуы. Бұл "дөңес қабырға қасиеті" деп аталады және мысалы, осы қисықтардың қиылысуын жылдам анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Қайықтар мен кемелерді жобалау геометриясында тізбектің айналымы – желкенді кеменің мөлшерін анықтайтын өлшем, ол кеменің корпусының көлденең қимасының дөңес қабырғасын пайдаланып есептеледі. Ол кеменің көлденең қимасының периметрі болып табылатын тері айналымынан ерекшеленеді, бірақ дөңес корпусы бар қайықтар мен кемелер үшін бұл екі өлшем де бірдей болады.

Этологиясы

Қиыршық корпус этологияда, жануарлардың мінез-құлқын зерттеу саласында, ең кішкентай қиыршық көпбұрыш ретінде танымал. Бұл жануардың мекендеу аумағын бағалаудың дәстүрлі, бірақ мүмкін шамалы күрделі әдісі болып табылады, ол жануардың байқалған нүктелеріне негізделген. Аутлиерлер (сыртқы мәндер) ең кішкентай қиыршық көпбұрышты тым үлкен етуі мүмкін, сондықтан байқаулардың тек бір бөлігін қамтитын, мысалы, үлгілердің белгілі бір пайызына жақын қиыршық қабаттарын таңдау сияқты, немесе нүктелердің айналасындағы қиыршық корпус тұжырымдамаларын біріктіретін жергілікті қиыршық корпус әдісі сияқты жеңілдетілген тәсілдерге көшуге болады.

Кванттық физика

Кванттық физикада кез келген кванттық жүйенің күй кеңістігі – жүйені дайындаудың барлық мүмкін жағдайларының жиынтығы – дөңгелек қабықша болып табылады, оның шекті нүктелері оң жартылай белгілі операторлар, олар таза күйлер деп аталады, ал ішкі нүктелері аралас күйлер деп аталады. Шредингер–HJW теоремасы кез келген аралас күйді бірнеше тәсілмен таза күйлердің дөңгелек комбинациясы ретінде жазуға болатынын дәлелдейді.

Термодинамика

Термодинамикадағы дөңгелек қабықшаны Джозиа Виллард Гиббс (1873) анықтаған, бірақ бұл жұмыс дөңгелек қабықша осылай аталатынға дейін жарияланған. Материалдың әртүрлі стехиометриялық құрамының энергиялары жиынтығында, тек төменгі дөңгелек қабықшадағы өлшемдер ғана тұрақты болады. Қабықшадан бір нүктені алып тастап, оның қабықшаға дейінгі қашықтығын есептегенде, оның жаңа қабықшаға дейінгі қашықтығы фазаның тұрақтылығының шамасын көрсетеді.

Тарих

Ұшақтағы нүктелердің төменгі дөңгелек қабығы 1676 жылы Исаак Ньютонның Генри Олденбургке жазған хатында Ньютон көпбұрышы түрінде кездеседі. "Дөңгелек қабық" термині алғаш рет осы атаумен белгілі бір еңбектерде пайда болады, ал неміс тіліндегі сәйкес термин одан ертерек қолданылған, мысалы Ханс Радемахердің шолуларында. Осы кезеңде "дөңгелек қаптама" сияқты басқа да терминдер қолданылған. 1938 жылға қарай, Ллойд Дайнстің сөзіне сүйенсек, "дөңгелек қабық" термині қалыпты стандартқа айналды; Дайнс бұл терминді сәтті деп санамайды, себебі "қабық" сөзінің күнделікті мағынасы пішіннің сыртын білдіреді, ал дөңгелек қабық сыртқы қабаты ғана емес, ішкі бөлігін де қамтиды.