交わらない凸集合は超平面で分けられる、ハーン・バナッハの分離定理
交わらない つの凸集合のあいだには、超平面を 枚さし込めます。片方が開いていれば、無限次元でも同じことが言える[1]。
汎関数を延ばす定理と、集合を分ける定理。この つが同じハーン・バナッハの定理の表と裏になります。
凸であることは外せません。少しでもへこんでいると、分ける平面が消えます。
超平面と汎関数
を でない連続線形汎関数、 を実数とします。次の集合を超平面と呼びます。
超平面は空間を つの半空間に切ります。 の側と の側です。
集合 と を分けるとは、 が片方の半空間に、 がもう片方に入ることをいいます。 本の汎関数と つの数で言い表せる。

開いているほうを使う版
いちばん軽い仮定の形はこうです。 を空でない開凸集合、 を空でない凸集合とし、交わらないとします[2]。
このとき でない連続線形汎関数 と実数 があって、次が成り立ちます。
開いている側では不等号が厳しくなる。境界を含まないので、平面に乗る点がありません。
には閉じている条件もコンパクト性も要りません。片方が開いていれば十分です[3]。
すきまを作る版
もっと強い結論には、コンパクト性が要ります。 を空でないコンパクト凸集合、 を空でない閉凸集合とし、交わらないとします[2]。
つの値のあいだにすきまが空きます。超平面を 枚とって、そのあいだに何も入らない帯を作れる。
理由は距離にあります。コンパクトと閉が交わらなければ、 つの集合の距離は正になる。この余裕が不等号のすきまへ変わります。
平面は入る。ただし境界がふれる可能性が残る
平面のあいだに帯が空く。どちらの集合も帯に入らない
例:点を閉凸集合から切り離す
を閉凸集合、 とします。 点は当然コンパクトなので、強い版がそのまま使えます[2]。
ヒルベルト空間なら、この を手で書けます。 への最近点を とし、 とおきましょう。
最近点の性質から、すべての で が成り立ちます。展開すると次の形になる。
なので です。 とすれば、 の上での上限が より だけ小さくなります。
分離する汎関数が、最近点との差ベクトルとして具体的に出てきました。
例:平面で数値を入れる
を原点中心の単位円板、 とします。どちらも凸で、交わりません。
をとると、 の上での上限は 、 の上での下限は です。
は と のあいだのどれでもよい。 とすれば、直線 が つを分けます。
はコンパクトなので、すきまが空く形になりました。幅は です。
厳密には分けられない例
つとも閉じているだけでは、すきまが空くとはかぎりません[4]。
、 とします。どちらも閉じた凸集合で、交わりません。
を大きくすると の点は 軸から離れますが、 を小さくすると の点は 軸にいくらでも近づきます。
つの集合の距離は です。分ける直線は しかなく、それは に接してしまう。

コンパクト性を落とすと、結論が「すきまが空く」から「接してもよい」へ弱まります。仮定と結論がきれいに対応している。
支持超平面
境界の点をとると、そこで集合に接する超平面が作れます。支持超平面と呼びます[4]。
凸集合 と境界点 に対し、 かつ 全体が に入る がある、という主張です。
内部が空でない場合は、内部と 点を分ける形で作れます。開集合版をそのまま当てればよい。
閉凸集合は半空間の共通部分
支持超平面を全部集めると、集合そのものが復元できます[1]。
閉凸集合は、それを含む閉半空間すべての共通部分に等しい。外側から平面で削っていくと、ちょうど元の集合が残ります。
凸でない集合ではこうなりません。半空間の共通部分はいつでも凸なので、へこみを再現できない。
境界の点を 1 つとる
そこで接する支持超平面を引く
すべての境界点で集めて共通部分をとる
もとの閉凸集合が復元される
凸でないと壊れる
を原点中心の単位円周、 とします。 つは交わりません。
を でない線形汎関数とすると、円周の上で は から まで値をとります。
はこの範囲のまんなかです。 は の値の内側に入るので、どちら側にも寄せられません。
分けられないのは、円周が凸でないためです。凸包をとれば円板になり、中心が中に入ってしまう。
を単位円板、 とし、 で分けます。 と の組はどれですか。
- と
- と
- と
解析の形との関係
延長定理の形では、劣線形関数 に押さえられた汎関数を全体へ延ばします。分離定理では、この を集合から作ります[1]。
原点を内部に含む凸集合 に対し、ミンコフスキー汎関数を次で定めます。
は劣線形になり、 は の集合として書けます。集合の形が関数に翻訳され、延長定理が使える形になる。
同じ定理の つの顔だと言われるのは、この翻訳があるためです。
例:数列空間で切り離す
で とします。閉部分空間なので、閉じた凸集合でもあります。
は に入りません。 への最近点は原点なので、差ベクトルは です。
をとると、 の上ではつねに 、いっぽう 。すきまの幅は になりました。
例:部分空間と距離をつなぐ
が閉部分空間で のときは、もっと強い形が言えます[1]。
の上で になり、ノルムが で、 をみたす がとれる。分離の幅が距離そのものになります。
上の例で確かめましょう。 で なので、ぴったり一致している。
検算
分離する汎関数を見つけたら、両側の値を計算して不等号の向きを確かめます。
と を数値で出し、あいだに が入るかを見る。等号が混じるなら、開いている側がどちらかを確かめます。
すきまが空くはずの場面で空かないときは、コンパクト性の仮定が抜けている疑いがある。
つまずきやすいところ
凸であること、そして片方に開性かコンパクト性があること。この 点がそろえば、平面は必ず入ります。









単位円板で x が最大になるのは (1,0) なので supAf=1 です。B で x が最小になるのは x=2 の直線上なので infBf=2。0 と 2 は円板の中心の値と混同した組、1 と 0 は B の条件を読み違えた組になります。