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Konvexe Menge

konvexe Menge M

nichtkonvexe Menge N

Eine geometrische Figur M wird konvex genannt, wenn mit je zwei ihrer (beliebig gewählten) Punkte auch deren Verbindungsstrecke ganz in der Menge liegt. Dies entspricht der Aussage, dass die Figur hinsichtlich jedes ihrer Punkte sternförmig ist.

Eine Menge, die nicht konvex ist, wird nichtkonvexe Menge genannt. Oft wird dafür auch die Bezeichnung konkave Menge verwendet. Dies ist jedoch irreführend, weil konkav nicht die Negation von konvex ist.

Formale Definition

Ist V ein reeller Vektorraum, so lässt sich die Verbindungsstrecke zweier Punkte (d.h. Vektoren) a und b als die Menge

beschreiben. Eine Teilmenge M von V ist also genau dann konvex, wenn für und stets auch gilt.

Ist V ein komplexer Vektorraum, so ist der Grundkörper nicht geordnet. Man kann jedoch V als reellen Vektorraum auffassen und dann die obige Definition von verwenden.

Allgemein genügen für die sinnvolle Definition von Konvexität jedoch erheblich schwächere Voraussetzungen an die Geometrie, in der M „lebt“, man braucht aus Hilberts Axiomensystem der euklidischen Geometrie lediglich die Axiome der Verknüpfung und die der Anordnung.

Beispiele

• jede Halbebene und jeder Halbraum ist konvex
• jedes Dreieck(-sfläche) ist konvex
• Kreisscheiben und Kugeln sind konvex
• unter den Vierecken sind z. B. die Trapeze immer konvex, während es beim Deltoid (Drachenviereck) auch nichtkonvexe Vertreter gibt (Pfeilviereck)
• Würfel und Spate sind konvex
• die leere Menge ist konvex
• ein Torus (Donut) ist nicht konvex
• Der Rand (die Menge der Randpunkte) einer ebenen Figur ist keine konvexe Menge.

Hierbei seien die genannten Mengen stets als Teilmengen der herkömmlichen (euklidischen) Ebene bzw. des Raumes betrachtet. Ansonsten ist etwa die Menge nicht konvex, wenn man sie in der Moulton-Ebene betrachtet.

Für Bilder von Mengen, die nicht konvex sind, siehe nichtkonvexe Menge.

Eigenschaften

Jede nichtleere konvexe Teilmenge eines reellen Vektorraums ist zusammenhängend und sogar zusammenziehbar.

Der Durchschnitt (Schnittmenge) beliebig vieler konvexer Mengen ist konvex. Somit bilden die konvexen Teilmengen eines Vektorraumes ein Hüllensystem. (Die Vereinigung konvexer Mengen ist hingegen im Allgemeinen nicht konvex.)

Die konvexe Hülle einer Menge ist die kleinste konvexe Obermenge. Sie ist der Durchschnitt aller konvexen Mengen, in denen sie enthalten ist.

In vielen Fällen ergibt sich eine konvexe Menge aus den Konvexkombinationen ihrer Extremalpunkte (Satz von Krein-Milman).