半空间是实欧几里得空间被一个超平面划分后得到的两个区域之一,可以包含或不包含划分空间的超平面本身。包含边界的称为闭半空间;不包含边界的称为开半空间。半空间给出了线性不等式的几何解释,也是构成凸集的基本要素。(web.stanford.edu)
定义与几何意义
给定非零向量 和标量 ,闭半空间定义为
其边界是超平面
这里, 是标准内积。向量 垂直于 ,并从 指向外侧,即 增大的方向。将不等号反向,就会选取另一侧的半空间。(web.stanford.edu)
因此,“半”表示划分空间的超平面的一侧,而不是体积等于整个空间一半的有限区域。在 中,这一区域称为半平面;在 中,其边界是通常意义上的平面。将 和 同时乘以一个正标量,所得不等式与原不等式等价。(web.stanford.edu)
开半空间与闭半空间
严格不等式
定义了一个开集,而 是一个闭集。二者的边界都是 ; 的内部是 ,而 的闭包是 。在实希尔伯特空间中,将 替换为 ,这些描述也同样成立。(arxiv.org)
位于相对两侧的两个开半空间互不相交。位于相对两侧的两个闭半空间的交集恰好是它们的边界超平面。因此,
凸性
每个半空间都是凸的。例如,若 且 ,则
因此,半空间内任意两点的任何凸组合仍在该半空间内。同样的论证也适用于严格不等式。(courses.csail.mit.edu)
交集与优化
其中,不等式按各分量分别理解。等式约束可以用一对方向相反的不等式表示。这类交集可能有界、无界、维数低于所在空间,或为空集;由于取交集保持凸性,它们都是凸的。(stanford.edu)
在线性规划中,这些交集描述了可行集。半空间也可以用来表述分离关系:一个超平面可以将闭凸集置于一侧,并将该集合外的一个点严格置于另一侧。这就把线性不等式与证明不可行性的几何依据联系起来。(courses.csail.mit.edu)
距离与投影
对于 ,点 到该半空间的距离为
其最近点投影为
已经位于半空间内的点保持不变;外部的点则沿垂直于边界的方向移动到边界上。该公式可推广到实希尔伯特空间,并可用于求解不等式组的投影算法。(arxiv.org)
非退化性
条件 必不可少。如果 ,那么不等式 在 时表示整个空间,在 时表示空集;这两种情形都不存在划分空间的超平面。此外,还应区分半空间与其边界:半空间是满维的,而超平面的维数为 。(web.stanford.edu)
参考来源
- Convex Optimizationstanford.edu
- Convex Optimization — Lecture Slidesweb.stanford.edu
- Linear Programming Lecture Notescourses.csail.mit.edu
- Projecting onto intersections of halfspaces and hyperplanesarxiv.org