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

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
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 .
- Преобразование полуполосы в полуплоскость
Преобразование вертикальной полуполосы в верхнюю полуплоскость функцией
Пересечение выпуклых 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].
Рассмотрим пересечение бесконечного числа выпуклых фигур Найдём две любые точки и новой фигуры . По определению пересечения, эти точки принадлежат любой из фигур Поскольку эти фигуры выпуклы, то любая их них включает и весь отрезок . Но тогда и пересечение этих фигур — фигура — включает этот отрезок . Таким образом, фигура вместе с двумя любыми точками и включает также и соединяющий их отрезок и по определению выпукла.
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].
1. Достаточность. Из теоремы 1 вытекает, что, поскольку плоскость выпукла, то пересечение произвольного количества полуплоскостей есть выпуклая фигура.
2. Необходимость. Существуют полуплоскости, которым целиком принадлежит фигура ; например, каждая опорная прямая фигуры разбивает плоскость на две полуплоскости, в одной из которых лежит . Далее, пересечение всех полуплоскостей, в которых лежит , — фигура выпукла и содержит .
Докажем, что и совпадают. Рассмотрим точку , не принадлежащую фигуре . Найдём какую-нибудь прямую , которая разделяет выпуклую фигуру и выпуклую ограниченную фигуру . Тогда полуплоскость, определяемая прямой и содержащая фигуру , точку не содержит, и по построению фигуры точка не лежит в . Следовательно, точки, не принадлежащие , не принадлежат и , то есть и совпадают.
Выпуклый многосторонник

Выпуклый многосторонник — фигура 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 2 3 4 5 6 Перевод на англ. см. в закладке «Обсуждение» статьи
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Полуплоскость. БСЭ 3, 1975.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Полуплоскость. МЭ, 1984.
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Полуплоскость. МЭС, 1988.
- 1 2 3 4 Курант Р., Роббинс Г. Что такое математика?, 2015, Глава IV. Проективная геометрия… Приложение…, с. 254—255.
- 1 2 3 4 5 Рохлин В. А. Площадь и объём, 1966, 2.1. Внутренние, внешние и граничные точки, с. 13—14.
- ↑ Киселёв М. А. Элементарная геометрия, 1980, 275. Аксиомы плоскости, с. 172.
- 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.
- ↑ Киселёв М. А. Элементарная геометрия, 1980, 304. Определения, с. 182.
- ↑ Понарин Я. П. Планиметрия, преобразования плоскости, 2004, 12.2. Следствия из общих формул площади четырехугольника, с. 91.
- 1 2 3 Alfred Gray. Modern Differential Geometry, 2006, 6.4 Convex Plane Curves, p. 164.
- ↑ Гусев В. А. Математика, 2013, 5. Плоскости, с. 388.
- ↑ Киселёв М. А. Элементарная геометрия, 1980.
- ↑ Рохлин В. А. Площадь и объём, 1966, 2.1. Внутренние, внешние и граничные точки, с. 16.
- ↑ Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела, 1966, 1.1. Определение. Примеры, с. 182.
- 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.
- ↑ Alfred Gray. Modern Differential Geometry, 2006, 26.2 Examples of Abstract Metrics, p. 876.
- ↑ Пятецкий-Шапиро И. И. Геометрия классических областей и теория автоморфных функций, 1961, Введение, с. 9.
- ↑ Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. Т. 2, 1976, 2. Простейшие области, с. 19.
- 1 2 3 Розенфельд Б. А. Аксиомы и основные понятия геометрии, 1963, 6.3. Аксиомы порядка, с. 36.
- ↑ Jaap Korevaar, Jan Wiegerinck. Several complex variables, 2011, 2.1 General theory of analytic continuation, p. 26.
- ↑ 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.
- ↑ 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.
- 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.
- ↑ 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.
- 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.
- ↑ Домрин А. В., Сергеев А. Г. Лекции по комплексному анализу. Т. 1, 2004, 3.7. Дробно-линейные изоморфизмы основных областей, с. 34.
- ↑ Шабат Б. В. Введение в комплексный анализ. Т. 1, 1976, 13. Показательная функция, с. 73—74.
- ↑ Болтянский В. Г., Яглом И. М. Выпуклые фигуры и тела, 1966, 3.1. Пересечение выпуклых фигур, с. 207.
- 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.