凸體(convex body)
想像一塊沒有凹陷、沒有孔洞、也沒有尖刺的黏土:無論你在其內部取哪兩點,連接它們的直線段都不會戳出外面。這個「沒有凹陷」的性質就是凸性,而凸體是它最乾淨的情形——R^n 中的一個凸集,它同時是有界的(裝得進某個大球內)、閉的(包含自己的邊界皮膚),而且夠「胖」、有真正的內部(不被壓扁成低維的薄片)。球、立方體、橢球、實心單純形都是凸體;甜甜圈、星形、或嵌在 R^3 裡的扁平圓盤則不是。
形式上,R^n 中的集合 K 稱為凸的,若對所有 x, y 屬於 K 及所有 t 屬於 [0, 1],點 t*x + (1 - t)*y 都落在 K 內。K 是凸體,若它是凸的、緊的、且內部非空。這樣的凸體被它的支撐函數 h_K(u) = sup over x in K of <u, x> 完全確定:對每個單位方向 u,h_K 記錄 K 在該方向上能伸多遠;h_K 是凸且正齊次的,並完全決定 K。其邊界不必光滑(立方體有稜有角),但在每個邊界點上至少存在一個支撐超平面碰觸 K,並把整個 K 留在一側。
凸體之所以是凸幾何的核心對象,是因為許多量在其上行為溫順:體積、表面積、寬度、內切半徑在包含關係下都是單調的,而像閔可夫斯基和(逐點相加兩個凸體)這類運算也讓你留在這個類別之內。它們也是那些深刻體積不等式——布倫-閔可夫斯基不等式、等周不等式、混合體積——以及數的幾何的正確舞台。一個誠實的提醒:凸性是個強而幾近僵硬的假設;大多數日常形狀並不凸,理論的優雅正來自拒絕它們,所以「化約到凸情形」往往是真正失去一般性,而非免費的簡化。
取閉單位球 B = {x in R^n : |x| <= 1}。它是凸的(由三角不等式,兩個範數 <= 1 的點之間的線段範數仍 <= 1)、緊的、且內部非空,因此是凸體。它的支撐函數是 h_B(u) = |u|,因為方向 u 上最遠的點是 u/|u|。相對地,單位球面(外殼 |x| = 1)看起來「凸」,但並不是凸集:其上兩點間的弦會嚴格落入內部,離開外殼。
實心球是凸體;它的邊界球面則不是凸集。
有界性與內部非空這兩個條件對「體」這個字都不可少:閉半空間是凸且閉的卻無界,而 R^3 中的線段是凸且緊的卻內部為空——兩者都不是凸體。若再去掉「閉」,也會失去關鍵的緊性論證。