Théorème de Radon (géométrie)

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Introduction

Le théorème de Radon, ou lemme de Radon, sur les ensembles convexes affirme que tout ensemble $A = {a_{1}, \dots, a_{d + 2}}$ contenant d + 2 éléments de $R^{d}$ admet une partition en deux parties A₁,A₂ dont les enveloppes convexes Conv(A₁) et Conv(A₂) se rencontrent. Une telle partition est alors appelée partition de Radon, et un point de l'intersection des enveloppes est appelé point de Radon (il ne s'agit pas a priori d'un des points a_i).

Prenons l'exemple d = 2. Dans ce cas l'ensemble A est constitué de quatre points. La partition de A peut donner un ensemble de trois points et un singleton, les premiers formant un triangle contenant le dernier point. Ou alors la partition consiste en deux ensembles constitués chacun de deux points, les segments s'intersectant en un point.

Ce résultat a été publié pour la première fois par Johann Radon en 1921. Il y apparaît comme résultat intermédiaire dans la preuve du théorème de Helly, ce qui explique la dénomination courante de lemme.

Preuve

On suppose que $X = {a_{1}, \dots, a_{d + 2}} \subset R^{d}$ . Considérons le système :

j = 1 \sum d + 2 λ_{j} a_{j} = 0

j = 1 \sum d + 2 λ_{j} = 0

d'inconnues réelles $λ_{1}, \dots, λ_{d + 2}$ : il équivaut à un système linéaire de d + 1 équations à d + 2 inconnues $λ_{1}, \dots, λ_{d + 2}$ , puisque la première équation, si on la développe en un système pour chaque composante des a_i (vecteurs dans $R^{d}$ ), se transforme aussitôt en d équations linéaires traditionnelles. Il existe donc une solution non nulle de ce système. Fixons $λ_{1}, λ_{2}, \dots, λ_{d + 2}$ une telle solution. Posons alors :

I_{1} = {i ∣ λ_{i} > 0}

I_{2} = {i ∣ λ_{i} \leq 0}

Puisque la somme des λ_i est nulle alors que les λ_i ne sont pas tous nuls, I et J ne sont pas vides.

La partition requise de A est alors $A_{1} = {a_{i} ∣ i \in I_{1}}$ et $A_{2} = {a_{i} ∣ i \in I_{2}}$ . En effet, il est immédiat de vérifier à partir du système, que :

\frac{i \in I _{1} \sum a _{i} λ _{i}}{i \in I _{1} \sum λ _{i}} = \frac{i \in I _{2} \sum a _{i} λ _{i}}{i \in I _{2} \sum λ _{i}}

et cette formule fournit un point commun aux enveloppes convexes de A₁ et de A₂.

Théorème de Tverberg

Helge Tverberg a démontré en 1966 une généralisation de ce théorème pour des partitions de A en r sous-ensembles. Le théorème de Tverberg affirme que :

Un ensemble A de 1 + (d + 1)(r − 1) points de $R^{d}$ admet une partition en r sous-ensembles dont l'intersection des enveloppes convexes n'est pas vide