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matriz M

En matemáticas , especialmente en álgebra lineal , una matriz M es una matriz cuyas entradas fuera de la diagonal son menores o iguales a cero (es decir, es una matriz Z ) y cuyos valores propios tienen partes reales no negativas . El conjunto de M -matrices no singulares es un subconjunto de la clase de P -matrices , y también de la clase de matrices inversas positivas (es decir, matrices con inversas que pertenecen a la clase de matrices positivas ). [1] El nombre matriz M aparentemente fue elegido originalmente por Alexander Ostrowski en referencia a Hermann Minkowski , quien demostró que si una matriz Z tiene todas las sumas de sus filas positivas, entonces el determinante de esa matriz es positivo. [2]

Caracterizaciones

Una matriz M se define comúnmente de la siguiente manera:

Definición: Sea A una matriz Z real n × n . Es decir, A  = ( a ij ) donde a ij ≤ 0 para todo ij , 1 ≤ i,jn . Entonces la matriz A también es una matriz M si se puede expresar en la forma A = sIB , donde B  = ( b ij ) con b ij ≥ 0 , para todo 1 ≤ i,j ≤ n , donde s está en al menos tan grande como el máximo de los módulos de los valores propios de B , y I es una matriz identidad.

Para la no singularidad de A , según el teorema de Perron-Frobenius , debe darse el caso de que s > ρ ( B ) . Además, para una matriz M no singular, los elementos diagonales a ii de A deben ser positivos. Aquí caracterizaremos más solo la clase de matrices M no singulares.

Se conocen muchas afirmaciones que son equivalentes a esta definición de matrices M no singulares, y cualquiera de estas afirmaciones puede servir como definición inicial de una matriz M no singular. [3] Por ejemplo, Plemmons enumera 40 de estas equivalencias. [4] Plemmons ha categorizado estas caracterizaciones en términos de sus relaciones con las propiedades de: (1) positividad de los menores principales, (2) positividad inversa y escisiones, (3) estabilidad y (4) semipositividad y dominancia diagonal. . Tiene sentido categorizar las propiedades de esta manera porque los enunciados dentro de un grupo particular están relacionados entre sí incluso cuando la matriz A es una matriz arbitraria y no necesariamente una matriz Z. Aquí mencionamos algunas caracterizaciones de cada categoría.

Equivalencias

A continuación, denota el orden de los elementos (no el orden semidefinido positivo habitual en las matrices). Es decir, para cualquier matriz real A , B de tamaño m × n , escribimos AB (o A > B ) si a ijb ij (o a ij > b ij ) para todo i , j .

Sea A una matriz Z real de n × n , entonces las siguientes afirmaciones son equivalentes a que A sea una matriz M no singular :

Positividad de los menores principales

Positividad inversa y escisiones

Estabilidad

Semipositividad y dominancia diagonal.

Aplicaciones

Las principales contribuciones a la teoría de la matriz M provienen principalmente de matemáticos y economistas. Las matrices M se utilizan en matemáticas para establecer límites en valores propios y en el establecimiento de criterios de convergencia para métodos iterativos para la solución de grandes sistemas dispersos de ecuaciones lineales . Las matrices M surgen naturalmente en algunas discretizaciones de operadores diferenciales , como el laplaciano , y como tales están bien estudiadas en informática científica. Las matrices M también aparecen en el estudio de soluciones al problema de complementariedad lineal . Los problemas de complementariedad lineal surgen en la programación lineal y cuadrática , en la mecánica computacional y en el problema de encontrar el punto de equilibrio de un juego bimatriz . Por último, las matrices M aparecen en el estudio de cadenas finitas de Markov en el campo de la teoría de la probabilidad y la investigación de operaciones como la teoría de colas . Mientras tanto, los economistas han estudiado las matrices M en relación con la sustituibilidad bruta, la estabilidad de un equilibrio general y el análisis insumo-producto de Leontief en los sistemas económicos. La condición de positividad de todos los principales menores también se conoce como condición de Hawkins-Simon en la literatura económica. [5] En ingeniería, las matrices M también aparecen en los problemas de estabilidad de Lyapunov y control de retroalimentación en la teoría del control y están relacionadas con las matrices de Hurwitz . En biología computacional , las matrices M aparecen en el estudio de la dinámica de poblaciones .

Ver también

Referencias

  1. ^ Fujimoto, Takao y Ranade, Ravindra (2004), "Dos caracterizaciones de matrices positivas inversas: la condición de Hawkins-Simon y el principio de Le Chatelier-Braun" (PDF) , Electronic Journal of Linear Algebra , 11 : 59–65.
  2. ^ Bermón, Abraham; Plemmons, Robert J. (1994), Matrices no negativas en las ciencias matemáticas , Filadelfia: Sociedad de Matemáticas Industriales y Aplicadas, p. 134.161 (Thm. 2.3 y Nota 6.1 del capítulo 6), ISBN 0-89871-321-8.
  3. ^ Fiedler, M; Ptak, V. (1962), "Sobre matrices con elementos no positivos fuera de la diagonal y menores principales positivos", Checoslovak Mathematical Journal , 12 (3): 382–400, doi : 10.21136/CMJ.1962.100526.
  4. ^ Plemmons, RJ (1977), "Caracterizaciones de matrices M. I - Matrices M no singulares", Álgebra lineal y sus aplicaciones , 18 (2): 175–188, doi : 10.1016/0024-3795(77)90073- 8.
  5. ^ Nikaido, H. (1970). Introducción a conjuntos y asignaciones en la economía moderna . Nueva York: Elsevier. págs. 13-19. ISBN 0-444-10038-5.