페론-프로베니우스 정리 (Perron-Frobenius theorem)

수학노트
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개요

  • A = (aij) 가 n × n 양행렬, 즉 1 ≤ i, j ≤ n 에 대하여 aij > 0 가 성립한다고 가정하자
  • 다음이 성립한다
    • A의 고유값 <math>r>0</math> 이 존재하여, 다른 고유값 λ에 대하여 부등식 |λ| < r가 성립한다.
    • r 에 대응되는 고유벡터공간은 1차원이다
    • r에 대응되는 모든 성분이 양수인 고유벡터 v = (v1,…,vn) 가 존재한다. 즉 A v = r v, 1 ≤ i ≤ n 에 대하여 vi > 0 이 성립하도록 하는 v를 찾을수 있다


예

카르탄 행렬 <math>\mathcal{C}(A_5)</math> 의 역행렬은

<math>\left( \begin{array}{ccccc} \frac{5}{6} & \frac{2}{3} & \frac{1}{2} & \frac{1}{3} & \frac{1}{6} \\ \frac{2}{3} & \frac{4}{3} & 1 & \frac{2}{3} & \frac{1}{3} \\ \frac{1}{2} & 1 & \frac{3}{2} & 1 & \frac{1}{2} \\ \frac{1}{3} & \frac{2}{3} & 1 & \frac{4}{3} & \frac{2}{3} \\ \frac{1}{6} & \frac{1}{3} & \frac{1}{2} & \frac{2}{3} & \frac{5}{6} \end{array} \right)</math>로 양행렬이다.

이 행렬의 고유값은 <math>2+\sqrt{3},1,\frac{1}{2},\frac{1}{3},2-\sqrt{3}</math>로 주어진다.

벡터 <math>\left( \begin{array}{c} 1 \\ \sqrt{3} \\ 2 \\ \sqrt{3} \\ 1 \end{array} \right)</math> 는 고유값이 <math>2+\sqrt{3}</math>인 고유벡터이다.




브라우어 부동점 정리의 응용

<math>A\geq 0</math> : non-negative 행렬

<math>\sigma(A)</math> : A 의 스펙트럼, 즉 A의 고유값의 집합 <math>\sigma(A)=\{\lambda_1,\cdots, \lambda_{k}\}</math>

<math>\rho(A)</math> : A 의 spectral radius, <math>\{|\lambda_1|,\cdots, |\lambda_{k}|\}</math> 에서의 최대값

<math>\|\mathbf{x}\|_{1}</math> : L^1-norm of x, 즉 <math>\mathbf{x}=(x_1,\cdots, x_k)</math> 이면, <math>\|\mathbf{x}\|_{1}=|x_1|+\cdots+|x_k|</math>


(정리)

<math>\rho(A)</math> 는 A의 고유값이며, <math>\mathbf{x}\geq 0</math> 인 고유벡터가 존재한다.


(증명)

<math>K =\{\mathbf{x}\in\mathbb{R}^n|\mathbf{x}\geq 0,\|\mathbf{x}\|_{1}=1, A\mathbf{x}\geq \rho(A)\mathbf{x}\}</math> 라 두자.

<math>\lambda</math> 를 <math>|\lambda|=\rho(A)</math> 를 만족시키는 A의 고유값이라 하고, <math>\mathbf{v}</math> 를 대응되는 고유벡터라 두자. <math>\|\mathbf{v}\|_{1}=1</math> 로 둘 수 있다.

<math>\rho(A)|\mathbf{v}|=|\lambda \mathbf{v}|=|A \mathbf{v}|\leq A|\mathbf{v}|</math> 이므로, <math>|\mathbf{v}|\in K</math> 이고, K는 공집합이 아니다.

따라서 K는 compact, convex, non-empty.


이제 두 가지 경우로 나눌 수 있다.

(1) <math>A\mathbf{x} = 0</math> 인 <math>\mathbf{x}\in K</math>가 존재하는 경우

(2) 모든 <math>\mathbf{x}\in K</math> 에 대하여 <math>A\mathbf{x} \neq 0</math> 가 성립하는 경우


(1) 의 경우는, <math>\rho(A)=0</math> 이 되어 증명이 끝난다.

(2) 의 경우를 생각하자.

<math>f : K\to \mathbb{R}^{n}</math> 을 <math>f(\mathbf{x})=\frac{A\mathbf{x}}{\|A\mathbf{x}\|_1}</math> 로 정의하자.

<math>f(\mathbf{x})\geq 0</math>, <math>\|f(\mathbf{x})\|_{1}=1</math> 임을 쉽게 알 수 있다. 또한,

<math>Af(\mathbf{x})=\frac{A (A\mathbf{x})}{\|A\mathbf{x}\|_1}\geq \frac{A (\rho(A)\mathbf{x})}{\|A\mathbf{x}\|_1}=\rho(A)f(\mathbf{x})</math> 이므로, <math>f(K)\subseteq K</math>.


따라서 브라우어 부동점 정리 에 의해, <math>f(\mathbf{y})=\mathbf{y}</math> 인 <math>\mathbf{y}\in K</math> 가 존재한다.

<math>f(\mathbf{y})=\frac{A\mathbf{y}}{\|A\mathbf{y}\|_1}=\mathbf{y}</math> 이므로, <math>\|A\mathbf{y}\|_1=r</math> 로 두면, <math>A\mathbf{y}=r\mathbf{y}</math> 이다.

또한 <math>\mathbf{y}\in K</math> 이므로, <math>A\mathbf{y}=r\mathbf{y}\geq \rho(A)\mathbf{y}</math>.

따라서 <math>r=\rho(A)</math>은 A의 고유값이며, <math>\mathbf{y}\geq 0</math> 는 대응되는 고유벡터이다. ■



메모


관련된 항목들



매스매티카 파일 및 계산 리소스



사전 형태의 자료


리뷰, 에세이, 강의노트

  • Hawkins, Thomas. 2008. “Continued Fractions and the Origins of the Perron–Frobenius Theorem.” Archive for History of Exact Sciences 62 (6) (November 1): 655–717. doi:10.1007/s00407-008-0026-x.
  • http://www.imsc.res.in/~sunder/pf.pdf
    • 페론-프로베니우스 in graph theory, fusion algebra, ...


관련논문

  • Martin Lustig, Caglar Uyanik, Perron-Frobenius theory and frequency convergence for reducible substitutions, arXiv:1605.02242 [math.DS], May 07 2016, http://arxiv.org/abs/1605.02242
  • Robert Costa, Patrick Dynes, Clayton Petsche, A p-adic Perron-Frobenius Theorem, arXiv:1509.01702[math.NT], September 05 2015, http://arxiv.org/abs/1509.01702v2
  • Meyer, Carl D. “Continuity of the Perron Root.” Linear and Multilinear Algebra, July 3, 2014, 1–5. doi:10.1080/03081087.2014.934233.



관련도서

  • Henryk Minc, Nonnegative matrices, John Wiley&Sons, New York, 1988, ISBN 0-471-83966-3

메타데이터

위키데이터

Spacy 패턴 목록

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