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2018年3月28日 星期三

二元一次不等式,法向量所指區域為正區域,法向量反向之區域為負區域;二元一次式之函數值循法向量方向移動而增加

謹以此文紀念我的高中數學老師黃靜卿先生。

==定理1==(用法向量判斷正區域和負區域)


考慮二元一次式f(x,y)=ax+by+c,其中a,b不同時為零。在座標平面上,

(i) ax+by+c=0的幾何圖形為一直線;
(ii) ax+by+c>0代表之區域正是以直線ax+by+c=0為邊界,而落於法向量n=(a,b)所指方向的區域;
(iii) ax+by+c<0代表之區域正是以直線ax+by+c=0為邊界,而落於法向量n=(a,b)所指方向反側的區域。

==證明==


(i) 顯然。

(ii) 命直線集合為L={(x,y)|ax+by+c=0},而正區域為L+={(x,y)|ax+by+c>0},負區域為L={(x,y)|ax+by+c<0}

顯然R2=LL+L,且L,L+,L互不相交,亦即LL+=ϕ,LL=ϕ,L+L=ϕ

以直線ax+by+c=0為邊界,而落於法向量n=(a,b)所指方向的區域」可描述為L上的點經任意正倍數的法向量n平移後所得到的點集。若記此區域為D+,以數學式表達就是
D+={(x,y)+tn|(x,y)L,t>0}.
我們要證明的即是
L+=D+.

任取PD+,則(x,y)L,t>0使得P=(x,y)+tn。於是
f(P)=f(x+ta,y+tb)=a(x+ta)+b(y+tb)+c=(ax+by+c)+t(a2+b2).
由於t>0a,b不同時為零,所以t(a2+b2)>0,也就是f(P)>0。因此得PL+,從而D+L+

任取Q=(x,y)L+,我們想證明Q也落在D+之中,如此就可得L+D+。而要完成此目標,我們必須找到(x0,y0)L以及正數t使得Q=(x0,y0)+tn

f(Q)=d,即有ax+by+c=d。由於QL+,所以當然d>0。對照證明D+L+的過程「f(P)==(ax+by+c)+t(a2+b2)」,我們合理猜測現在應該取t=da2+b2,同時(x0,y0)應為(xda2+b2a,yda2+b2b)。以下驗證這樣的猜測是正確的。
f(xda2+b2a,yda2+b2b)=a(xda2+b2a)+b(yda2+b2b)=(ax+by+c)da2+b2(a2+b2)=dd=0.
所以若取(x0,y0)=(xda2+b2a,yda2+b2b),則(x0,y0)確實L。而
Q=(x,y)=(xda2+b2a+da2+b2a,yda2+b2b+da2+b2b)=(xda2+b2a,yda2+b2b)+(da2+b2a,da2+b2b)=(x0,y0)+da2+b2(a,b)=(x0,y0)+tn.
如此就證明了QD+,也就有L+D+

綜合上述D+L+L+D+,我們得到L+=D+

(iii) 「以直線ax+by+c=0為邊界,而落於法向量n=(a,b)所指方向反側的區域」可描述為L上的點經任意負倍數的法向量n平移後所得到的點集。若記此區域為D,以數學式表達就是
D={(x,y)+tn|(x,y)L,t<0}.

顯然有R2=LD+D,且LD+=ϕ,LD=ϕ,D+D=ϕ

由於已知R2=LL+L,與上式相比較,可得
D=R2(LD+)=R2(LL+)=(LL+L)(LL+)=L.
(證明終了)

==定理2==(線性規劃中目標函數在限定區域發生極值位置的探索方法)


二元一次式之函數值循法向量方向移動而增加。

==證明==


P0=(x0,y0)L,Pt=P0+tn。當t>0時,PtL+;而當t<0時,PtL

取正數t,s滿足t<s,於是乎PtPs皆落在L+之中,而自Pt移動到Ps必須沿(st)n。注意這裡st>0,是以自Pt移動到Ps是循著法向量n之正方向前進。

我們要證明的是f(Ps)>f(Pt)

進行以下計算,
f(Ps)f(Pt)=f(P0+sn)f(P0+tn)=s(a2+b2)t(a2+b2)=(st)(a2+b2)>0.
從而f(Ps)>f(Pt)
(證明終了)

==討論==


我們的討論可以毫無困難地推廣到n維空間。這裡我們所得到的結果,其實只是多元微積分學中關於空間曲面梯度向量以及方向導數的定理的特例。

定理. DRn中的開集。若函數f:DRD上可微,則對於任意單位向量uRn以及xD,函數fxu的方向導數為
Duf(x)=f(x)u.
而方向導數最大值為|f(x)|,發生於uf(x)平行同向之際。

在高中數學傳統教學中,正、負區域的判定是採用「約定x項的係數為正...P點在L的右邊,則f(P)>0;若P在L的左邊,則f(P)<0」(參見部落格【王的夢田】文章〈平面被一直線分成兩部份的正負情形〉),學生常常會搞不清楚正區域和負區域的位置。因為這個約定太麻煩了,還得先化簡所給定的直線方程式,然後要去記所謂的左邊或是右邊。試想,在三維或是更高維空間中,如果要處理線性規劃區域問題,我們還會有什麼左、右之分嗎?我們唯一可以依循的只有法向量,按其指向去區分各區域,法向量才是處理判定正、負區域的根本工具。

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