凸幾何與離散幾何

布倫-閔可夫斯基不等式(Brunn-Minkowski inequality)

/ BROON min-KOF-skee /

取兩個實心形狀,把一個滑過另一個的每一點、掃出所有和——這就是閔可夫斯基和——以此來「相加」它們。布倫-閔可夫斯基說,合成的形狀總是至少和你天真預期的一樣大:它體積的 n 次方根,至少是兩個原體積各自 n 次方根之和。在一個不等式中它道出:混合凸形狀從不浪費空間——凸性使體積在此種加法下表現出超可加性。

精確地說,對 R^n 中非空緊集 A 與 B,閔可夫斯基和是 A + B = {a + b : a in A, b in B},不等式斷言 vol(A + B)^{1/n} >= vol(A)^{1/n} + vol(B)^{1/n}。等價地,對 t 屬於 [0, 1],vol(t*A + (1-t)*B)^{1/n} >= t*vol(A)^{1/n} + (1-t)*vol(B)^{1/n}:體積的 n 次方根沿閔可夫斯基插值是凹函數。等號(對凸體)恰在 A 與 B 位似時成立——同一形狀至多差一個平移與縮放。對長方體看它的乾淨方式:兩個軸對齊長方體的和是邊長相加的長方體,而邊長上的不等式由算幾平均不等式得出;一般情形則是極限/重排論證。

布倫-閔可夫斯基是數學中最具影響力的不等式之一。古典等周不等式——在所有給定體積的物體中球的表面積最小——藉著取 B 為極小的球並求導便掉了出來。它支撐混合體積理論與亞歷山德羅夫-芬切爾不等式,在機率與分析中給出測度集中與無關維數的估計,其泛函表親是普雷科帕-萊因德勒不等式。兩個誠實的提醒:1/n 次方是不可少的——純體積並不超可加,vol(A+B) >= vol(A) + vol(B) 一般為假——而銳利的等號情形需要凸性;對非凸集不等式仍成立,但等號可能以退化方式發生。

設 A 與 B 都是 R^3 中的單位立方體 [0,1]^3。它們的閔可夫斯基和是體積為 8 的立方體 [0,2]^3。檢驗布倫-閔可夫斯基:vol(A+B)^{1/3} = 8^{1/3} = 2,而 vol(A)^{1/3} + vol(B)^{1/3} = 1 + 1 = 2。等號成立——正如所料,因為 A 與 B 位似(事實上相同)。純體積只會給出 8 >= 1 + 1,雖真卻弱得多;立方根形式才是銳利的陳述。

兩個單位立方體相加成 2x2x2 的立方體;1/3 次方形式取等(位似情形)。

維數的 1/n 次方不能去掉:「體積超可加」顯然為假(一片薄板加上一片垂直薄板各自體積很小,其和卻可以很大,而退化的扁平集體積為 0 其和卻有正體積)。只有 1/n 次方根才使乾淨的凹性成立。

又称
Brunn-MinkowskiBM inequality布倫-閔可夫斯基