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Lexikon der Mathematik: Perron-Frobenius, Satz von

lautet:

Sei A eine reelle (n × n)-Matrix mit nichtnegativen Einträgen, die keine invarianten Unterräume besitzt. Weiter seien λ1,…,λn die mit Vielfachheiten gezählten Eigenwerte von A, so angeordnet, daß\begin{eqnarray}|{\lambda }_{1}|=|{\lambda }_{2}|=\ldots =|{\lambda }_{k}|\gt |{\lambda }_{k+1}|\ge \ldots |{\lambda }_{n}|\end{eqnarray}mit geeignetem 1 ≤ kn.

Dann gilt:

  1. λ ≔ |λ1| ist einfacher Eigenwert von A.
  2. Es gibt einen Eigenvektor von A zum Eigenwert λ mit rein positiven Koordinaten (imn).
  3. Ist o.B.d.A. λ1 = e0.2πi/k · λ, so istλk = e(k–1)·2πi/k · λ.
  4. Für jeden Eigenvektor v von A ist e2πi/k · v ebenfalls Eigenvektor von A.
  5. Falls k > 1, so kann A durch Permutation seiner Zeilen bzw. Spalten auf die Form\begin{eqnarray}\left(\begin{array}{ccccccc}0 & {A}_{1} & 0 & \cdots & & & 0\\ 0 & 0 & {A}_{2} & 0 & 0 & \cdots & 0\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & \vdots \\ 0 & 0 & \cdots & & & 0 & {A}_{k-1}\\ {A}_{k} & 0 & \cdots & & & 0 & 0\end{array}\right)\end{eqnarray}mit geeigneten (n/k × n/k)-Matrizen A1,…,Ak gebracht werden.

Eine andere Formulierung des Satzes lautet:

Bezeichnet ϱ(·) den Spektralradius einer (n × n)-Matrix, und ist ‘≥’ bei reellen Matrizen bzw. Vektoren komponentenweise definiert, so gelten für eine reelle (n × n)-Matrix A ≥ 0 folgende Aussagen:

  1. ϱ(A) ist Eigenwert von A. Dabei gilt ϱ(A) = 0 genau dann, wenn es eine Permutationsmatrix P so gibt, daß PAPT eine strenge untere Dreiecksmatrix ist.
  2. Zu ϱ(A) gibt es einen Eigenvektor x ≥ 0.
  3. BAϱ(B) ≥ ϱ(A).

Jeder Eigenvektor x = (xi) > 0 (also xi > 0 für alle i) von A ≥ 0 heißt auch Perron-Vektor von A.

Ist A überdies irreduzibel, so verschärft sich der Satz wie folgt:

Für eine reelle, irreduzible Matrix A ≥ 0 gelten folgende Eigenschaften:

  1. ϱ(A) ist positiv und einfacher Eigenwert von A.
  2. Zu ϱ(A) gibt es einen Eigenvektor x > 0.
  3. BAϱ(B) >ϱ(A), falls AB.
  • Die Autoren
- Prof. Dr. Guido Walz

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