Полуплоскость

Верхняя полуплоскость

Полупло́скость[1] — множество всех точек плоскости, которые находятся по одну сторону от некоторой прямой на этой плоскости[2][3][4][5][6][7], то есть по ту же сторону, что и некоторая заданная точка вне прямой[6]. Эта прямая определяет полуплоскость[5][8] и является её границей[6][2][3][4], а полуплоскость исходит из своей границы[9], или просто полуплоскость от границы[10].

В некоторых источниках граница полуплоскости ей принадлежит, то есть полуплоскость замкнута[6][11][12]. В некоторых школьных материалах открытость или замкнутость полуплоскости может быть несущественной[13].

Замкнутая полуплоскость — полуплоскость со своей границей[2][3][4].

Полуплоскость есть выпуклая неограниченная область как одновременно открытое множество[14] и неограниченное выпуклое множество[15].

Другое название замкнутой полуплоскости — односторонник, это простейший плоский выпуклый многосторонник[16].

Для двумерной гиперболической геометрии (геометрии Лобачевского) построена модель Пуанкаре с метрикой Пуанкаре верхней полуплоскости[1][17].

Полуплоскость, обобщение полупрямой и частный случай полупространства, обладает по сравнение с ними следующей особенностью: полуплоскость может быть комплексной[2][3][4].

На комплексной плоскости верхняя полуплоскость имеет следующее важное свойство. Для любой точки границы единичного круга найдётся такое аналитическое отображение круга на верхнюю полуплоскость, что все преобразования с неподвижной этой точкой переходят в линейные преобразования верхней полуплоскости[18].

Полуплоскость также есть частный случай трубчатой области[19].

Определение полуплоскости

Точки и лежат в одной полуплоскости, точки и — в разных полуплоскостях с общей границей

Полуплоскость множество всех точек плоскости, которые находятся по ту же сторону от некоторой прямой на этой плоскости, что и некоторая заданная точка вне прямой, то есть полуплоскость — это точка и множество всех точек таких, что отрезок не имеет общих точек с прямой [20]. Прямая определяет полуплоскость [5][8] и является её границей[6][2][3][4].

Замкнутая полуплоскость — полуплоскость со своей границей , [2][3][4].

Теорема 1. Две точки и на одной плоскости лежат в одной и той же полуплоскости, которая определяется прямой , тогда и только тогда, когда не пересекается с отрезком [8].

Теорема 2. Произвольная прямая на плоскости делит эту плоскость на две полуплоскости и [8][20][11]. Более формально: на плоскости вне прямой существуют точки и , такие, что разные полуплоскости и , которым принадлежат эти точки, , , заполняют с прямой всю плоскость и имеют своими границами , то есть и [20][11].

Декартовы координаты

В общем двумерном случае на плоскости с декартовыми координатами координаты точек полуплоскости отвечают следующему неравенству, использующим общее уравнение прямой

,

где  — постоянные, причём и одновременно не равны нулю[5][2][3][4].

Граница полуплоскости — прямая, определяющая полуплоскость. В определении это прямая

[2][3][4].

Комплексные координаты

На комплексной плоскости с координатами обычно рассматриваются следующие частные случаи[2][3][4]:

  • верхняя полуплоскость[1] ,
  • нижняя полуплоскость[1] ,
  • левая полуплоскость[1] ,
  • правая полуплоскость[1] .

Все полуплоскости, граница которых проходит через начало координат, можно представить следующей формулой[21]:

, .

Прямая и полуплоскость на комплексной плоскости

Рассмотрим на комплексной плоскости произвольную прямую . Эта прямая определяется произвольной точкой и вектором направления прямой , поэтому её уравнение будет следующим[22]:

Так как , то уравнение прямой перепишем в следующем виде[23]:

Так как — направление прямой, положим . В этом случае пусть и рассмотрим полуплоскость

,

где . Теперь при имеем . Таким образом, принадлежит полуплоскости , , тогда и только тогда, когда , то есть когда . Следовательно, полуплоскость лежит слева от прямой , если «идти по в направлении »[24].

Таким образом, полуплоскость

есть параллельный перенос полупроскости на вектор , . Следовательно, полуплоскость лежит слева от прямой . Точно так же полуплоскость

лежит справа от прямой [24].

Пример. Определение касательной

Рассмотрим на комплексной плоскости произвольную окружность , Возьмём на окружности произвольную точку , , и проведём через неё следующую прямую[25]:

Прямая касается окружности в точке тогда и только тогда, когда окружность полностью, кроме точки , принадлежит одной из полуплоскостей с границей , то есть когда для произвольной точки окружности , ,

или ,

то есть

,

поскольку верна следующая цепочка равенств[26]:

.

Так как , то решением неравенства будет совокупность неравенств, состоящая из двух систем неравенств:

1) , ,
, ,
, ;
2) , ,

откуда окончательно получаем[26]:

.

Отображения с полуплоскостью

1. Единичный круг. На комплексной плоскости единичный круг и верхняя полуплоскость дробно-линейно изоморфны[27], поскольку верхняя полуплоскость конформно отображается на единичный круг следующим дробно-линейным отображением[2][3][4]:

2. Полуполоса. На комплексной плоскости с координатами однолистное и конформное преобразование отображает полуполосу на верхнюю полуплоскость. На рисунке внизу показано соответствие линий при этом преобразовании, а именно[28]:

  • вертикальные лучи отображаются на верхнюю полуплоскость в части гипербол с фокусами ;
  • горизонтальные отрезки отображаются на верхнюю полуплоскость в части эллипсов с теми же фокусами .

Пересечение выпуклых фигур

Пересечение трёх фигур

Пересечение фигур фигура, которая состоит из всех тех точек, которые принадлежат сразу всем фигурам [29].

Вполне возможно пересечение произвольного неограниченного количества фигур[30].

Теорема 1. Пересечение произвольного количества выпуклых фигур суть снова выпуклая фигура, если оно включает хотя бы одну точку)[30].

Следующую теорему можно взять за новое определение выпуклой фигуры[16].

Теорема 2. Плоская фигуры выпукла тогда и только тогда, когда её можно представить как пересечение некоторого количества полуплоскостей[16].

Замечание. Полуплоскостями, пересечение которых представляет собой заданную выпуклую фигуру , могут быть все полуплоскости, которые содержат эту фигуру и ограничены её опорными прямыми[16].

Выпуклый многосторонник

Отрезок как выпуклый четырёхсторонник

Выпуклый многосторонникфигура на плоскости, которую можно представить как пересечение конечного числа замкнутых полуплоскостей[16].

Простейший выпуклый многосторонник — это односторонник, то есть замкнутая полуплоскость[16].

Треугольник — простейший ограниченный выпуклый многосторонник; при выпуклые трёхсторонники, четырёхсторонники и так далее бывают ограниченные и неограниченные. Отрезок — пример выпуклого ограниченного четырёхсторонника[16].

Примечания

  1. 1 2 3 4 5 6 Перевод на англ. см. в закладке «Обсуждение» статьи
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Полуплоскость. БСЭ 3, 1975.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Полуплоскость. МЭ, 1984.
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Полуплоскость. МЭС, 1988.
  5. 1 2 3 4 Курант Р., Роббинс Г. Что такое математика?, 2015, Глава IV. Проективная геометрия… Приложение…, с. 254—255.
  6. 1 2 3 4 5 Рохлин В. А. Площадь и объём, 1966, 2.1. Внутренние, внешние и граничные точки, с. 13—14.
  7. Киселёв М. А. Элементарная геометрия, 1980, 275. Аксиомы плоскости, с. 172.
  8. 1 2 3 4 Гусятников П. Б. Векторная алгебра в примерах и задачах, 1985, Главка 1. Сведения из элементарной геометрии. § 1. Некоторые необходимые определения и обозначения, с. 7.
  9. Киселёв М. А. Элементарная геометрия, 1980, 304. Определения, с. 182.
  10. Понарин Я. П. Планиметрия, преобразования плоскости, 2004, 12.2. Следствия из общих формул площади четырехугольника, с. 91.
  11. 1 2 3 Alfred Gray. Modern Differential Geometry, 2006, 6.4 Convex Plane Curves, p. 164.
  12. Гусев В. А. Математика, 2013, 5. Плоскости, с. 388.
  13. Киселёв М. А. Элементарная геометрия, 1980.
  14. Рохлин В. А. Площадь и объём, 1966, 2.1. Внутренние, внешние и граничные точки, с. 16.
  15. Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела, 1966, 1.1. Определение. Примеры, с. 182.
  16. 1 2 3 4 5 6 7 Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела, 1966, 3.2. Выпуклые многосторонники и многогранники, с. 209.
  17. Alfred Gray. Modern Differential Geometry, 2006, 26.2 Examples of Abstract Metrics, p. 876.
  18. Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961, Введение, с. 9.
  19. Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. Т. 2, 1976, 2. Простейшие области, с. 19.
  20. 1 2 3 Розенфельд Б. А. Аксиомы и основные понятия геометрии, 1963, 6.3. Аксиомы порядка, с. 36.
  21. Jaap Korevaar, Jan Wiegerinck. Several complex variables, 2011, 2.1 General theory of analytic continuation, p. 26.
  22. John B. Conway. Functions of one complex variable, 1978, I. The Complex Number System, §5. Lines and half planes in the complex plane, p. 6.
  23. John B. Conway. Functions of one complex variable, 1978, I. The Complex Number System, §5. Lines and half planes in the complex plane, p. 6–7.
  24. 1 2 John B. Conway. Functions of one complex variable, 1978, I. The Complex Number System, §5. Lines and half planes in the complex plane, p. 7.
  25. John B. Conway. Functions of one complex variable, 1978, I. The Complex Number System, §5. Lines and half planes in the complex plane, p. 7—8.
  26. 1 2 John B. Conway. Functions of one complex variable, 1978, I. The Complex Number System, §5. Lines and half planes in the complex plane, p. 8.
  27. Домрин А. В., Сергеев А. Г. Лекции по комплексному анализу. Т. 1, 2004, 3.7. Дробно-линейные изоморфизмы основных областей, с. 34.
  28. Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. Т. 1, 1976, 13. Показательная функция, с. 73—74.
  29. Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела, 1966, 3.1. Пересечение выпуклых фигур, с. 207.
  30. 1 2 3 4 Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела, 1966, 3.1. Пересечение выпуклых фигур, с. 208.

Источники

  • Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела // Энциклопедия элементарной математики / гл. ред.: П. С. Александров, А. И. Маркушевич, А. Я. Хинчин; редакторы книги пятой: В. Г. Болтянский, И. М. Яглом. М.: «Наука», 1966. — Т. 5 Геометрия. — С. 181—269.  624 с., ил. 25 000 экз.
  • Гусев В. А., Мордкович А. Г. Математика : учебно-справочное пособие. М.: Издательство «Астрель», 2013.  671,[1] с., ил. — (Справочник школьника). Доп. тираж 2000 экз. — ISBN 978-5-271-07165-2.
  • Гусятников П. Б., Резниченко С. В.. Векторная алгебра в примерах и задачах: Учеб. пособие для студентов инж.-тех. спец. вузов. М.: «Высшая школа», 1985.  232 с., ил. 50 000 тыс. экз.
  • Домрин А. В., Сергеев А. Г. Лекции по комплексному анализу. М.: МИАН, 2004. — Т. 1.  175 с., ил. 200 экз. — ISBN 5-98419-007-9 (ч. I). — ISBN 5-98419-006-0.
  • Киселёв М. А. Элементарная геометрия. Книга для учителя. — копия 12-е изд. (1931). М.: «Просвещение», 1980.  286 с., ил.
  • Курант Р., Роббинс Г. Что такое математика? Элементарный очерк идей и методов = Richard Courant, Herbert Robbins. What Is Mathematics? An Elementary Approach to Ideas and Methods / пер. с англ. под ред. А. Н. Колмогорова. — 7-е изд., стереотип. М.: Издательство МЦНМО, 2015.  564 с., ил. 2000 экз. — ISBN 978-5-4439-0628-7.
  • Понарин Я. П. Элементарная геометрия: В 2 т. Т. 1: Планиметрия, преобразования плоскости. М.: Издательство МЦНМО, 2004.  311 с., ил. 2000 экз. — ISBN 5-94057-170-0. — ISBN 5-94057-171-9 (том 1).
  • Полуплоскость // Большая советская энциклопедия. (В 30 томах) / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. М.: «Советская энциклопедия», 1975. — Т. 20 Плата — проб. — С. 259.  608 с., ил., 17 л. ил., 4 л. карт. 630 тыс. экз.
  • Полуплоскость // Математическая энциклопедия / гл. ред. И. М. Виноградов. М.: «Советская энциклопедия», 1984. — Т. 4 Ок—Сло. — Стб. 462.  1216 стб., ил. 148 900 экз.
  • Полуплоскость // Математический энциклопедический словарь / гл. ред. Ю. В. Прохоров; ред. кол.: С. И. Адян, Н. С. Бахвалов, В. И. Битюцков, А. П. Ершов, Л. Д. Кудрявцев, А. Л. Онищик, А. П. Юшкевич. М.: «Советская энциклопедия», 1988. — С. 474.  847 с., ил. 148 900 экз.
  • Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций. М.: Физматгиз, 1961. — 191 с. — (Современные проблемы математики). 5000 экз.
  • Розенфельд Б. А. Аксиомы и основные понятия геометрии // Энциклопедия элементарной математики / гл. ред.: П. С. Александров, А. И. Маркушевич, А. Я. Хинчин; редакторы книги четвёртой: В. Г. Болтянский, И. М. Яглом. М.: Физматлит, 1963. — Т. 4 Геометрия. — С. 9—48.  567 с., ил. 20 000 экз.
  • Рохлин В. А. Площадь и объём // Энциклопедия элементарной математики / гл. ред.: П. С. Александров, А. И. Маркушевич, А. Я. Хинчин; редакторы книги пятой: В. Г. Болтянский, И. М. Яглом. М.: «Наука», 1966. — Т. 5 Геометрия. — С. 5—87.  624 с., ил. 25 000 экз.
  • Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. — 2-е изд, перераб. и доп. М.: «Наука», 1976. — Т. 1.  320 с., ил. 20 000 экз.
  • Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. — 2-е изд, перераб. и доп. М.: «Наука», 1976. — Т. 2.  400 с., ил. 20 000 экз.
  • John B. Conway. Functions of one complex variable (англ.) / Managing Editor P. R. Halmos; Editorial Board: F. W. Gehring, C. C. Moore. — Second Edition. New York · Heidelberg · Berlin: Springer-Verlag, 1978. — XIV+319 p. — (Graduate texts in mathematics; 11).
  • Alfred Gray. Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica® (англ.) / revised by Elsa Abbena and Simon Salamon. — Third Edition. Boca Raton · London · New York · Oxford: Chapman & Hall/CRC, 2006. — XII+982 p. — (Studies in Advanced Mathematics). — ISBN 1-58488-448-7. — ISBN 978-1-58488-448-4.
  • Jaap Korevaar, Jan Wiegerinck. Several complex variables (англ.). Amsterdam: University of Amsterdam, 2011. — V+260 p.