13 gennaio 2018

Il Teorema di Perron-Frobenius

L'oggetto di questo post  è  un fondamentale risultato di Algebra Lineare, dimostrato da O. Perron nel 1907 e successivamente generalizzato da G. Frobenius nel 1912.

Esso ha svariate applicazioni alla Probabilità (ergodicità delle catene di Markov), alla Teoria dei Sistemi dinamici, alla Teoria dei Giochi, alla Teoria dei Grafi, ai Modelli di Popolazione, all'Economia e (in quella che è forse la sua più spettacolare applicazione) negli algoritmi di Page-Rank per i motori di ricerca Web come Google.
Teorema (Perron-Frobenius). Sia $A$ una matrice reale $n \times n$ a coefficienti tutti positivi. Allora esiste un autovalore reale positivo $r$ di $A$, tale che ogni altro autovalore di $A$ ha modulo strettamente minore di $r$. Inoltre, $r$ è un autovalore semplice per $A$, dunque i corrispondenti autospazi (destro e sinistro) sono $1$-dimensionali. Inoltre, i generatori di tali autospazi possono essere scelti a componenti tutte positive.
L'autovalore $r$ è noto come "radice di Perron-Frobenius", e per definizione esso coincide con il raggio spettrale di $A$. Il comportamento asintotico delle potenze $A^k$ per $k$ che tende all'infinito è pertanto controllato da $r$. Inoltre, se i coefficienti di $A$ sono tutti numeri algebrici allora lo stesso vale per $r$, dato che l'insieme dei numeri algebrici è un sottocampo algebricamente chiuso di $\mathbb{C}$. Pertanto, nel caso in cui $r$ sia in modulo maggiore di $1$, esso è un numero di Perron (cioè, un numero algebrico reale e maggiore di $1$, tale che tutte le sue radici coniugate hanno modulo strettamente minore di $1$).

Esistono in letteratura varie dimostrazioni del teorema di Perron-Frobenius. Ci soffermeremo qui su un semplice e sorprendente argomento topologico, basato sul teorema del punto fisso di Brouwer, che permette di dedurre l'esistenza di un autovalore reale positivo di $A$.

Sia $S^{n-1}$ la sfera $n$-dimensionale in $\mathbb{R}^n$, e consideriamo il sottoinsieme $D$ di $S^{n-1}$ dato dai punti a coordinate tutte non negative. È immediato verificare che $D$ è omeomorfo al disco chiuso $D^{n-1}$: ad esempio, se $n=3$ allora $D$ è il triangolo sferico dato dall'intersezione di $S^2$ con il primo ottante di $\mathbb{R}^3$.

Prendiamo ora l'applicazione lineare $\mathbb{R}^n \to \mathbb{R}^n$ data da $\mathbb{x} \mapsto A \mathbb{x}$. Se $\mathbb{x}$ è un elemento di $D$, allora le sue componenti sono tutte non-negative, e almeno una è positiva; pertanto lo stesso vale per le componenti di $A \mathbb{x}$, dato che stiamo supponendo che $A$ sia una matrice ad elementi positivi.

Ciò dimostra che la funzione continua $T(\mathbb{x}):=\frac{A\mathbb{x}}{|A \mathbb{x}|}$ manda $D$ in sè, dunque per il teorema del punto fisso di Brouwer esiste $\mathbb{v} \in D$ tale che $T(\mathbb{v})=\mathbb{v}$. In altre parole $$A \mathbb{v} = |A \mathbb{v}| \cdot \mathbb{v},$$ cioè $\mathbb{v}$ è autovettore per $A$ avente autovalore positivo $|A \mathbb{v}|$.

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