Total positive Matrix

Dieser Artikel behandelt total positive Matrizen, nicht zu verwechseln mit positiv definiten Matrizen und positiven Matrizen.

In der Mathematik sind total positive Matrizen (reelle) Matrizen, deren Minoren alle positiv sind. Total positive Matrizen spielen in verschiedenen Gebieten der Mathematik, wie Graphentheorie, Algebraische Geometrie, stochastischen Prozessen, Spieltheorie, Matroidtheorie und Differentialgleichungen, sowie bei Brownscher Bewegung, elektrischen Netzwerken und in der Chemie eine Rolle.^[1]

Definition

Eine ${\displaystyle n\times n}$-Matrix

${\displaystyle \mathbf {A} =(A_{ij})_{1\leq i,j\leq n}}$

heißt total positiv, wenn alle ihre Minoren

${\displaystyle M_{I,J}:=\det \left[\mathbf {A} \right]_{I,J},\ I,J\subset \left\{1,\ldots ,n\right\},\ |I|=|J|}$

(also die Determinanten der quadratischen Untermatrizen, die durch Streichen einer oder mehrerer Spalten und Zeilen entstehen) positiv sind:

${\displaystyle M_{I,J}>0\quad {\text{für alle}}\quad I,J\subset \left\{1,\ldots ,n\right\},\ |I|=|J|}$.

Beispiele

Vandermonde-Matrizen ${\displaystyle V(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})}$ mit ${\displaystyle 0<x_{1}<x_{2}<\ldots <x_{n}}$ sind total positiv.

Satz von Gantmacher und Krein

Der Satz von Gantmacher und Krein besagt, dass jede total positive Matrix zu einer Diagonalmatrix

${\displaystyle diag(\lambda _{1},\lambda _{2},\ldots ,\lambda _{n})}$

mit ${\displaystyle \lambda _{1}>\lambda _{2}>\ldots >\lambda _{n}>0}$ ähnlich ist.

Geschichte

Total positive Matrizen sind ein Spezialfall positiver Matrizen (Matrizen, deren Einträge positiv sind), die zuerst von Oskar Perron untersucht wurden.^[2] Er bewies, dass der betragsmäßig größte Eigenwert einer positiven Matrix reell, positiv und ein einfacher Eigenwert ist. Gantmacher und Krein untersuchten total positive Matrizen und bewiesen, dass alle ihre Eigenwerte reell, positiv und einfach sind.^[3] Anne Whitney bewies einen Reduktionssatz, mit dem man die total positiven Matrizen als von einer expliziten Menge einfacher Matrizen erzeugtes Submonoid von ${\displaystyle GL(n,\mathbb {R} )}$ darstellen kann.^[4][5] Dieser Zugang wurde dann von Lusztig auf beliebige halbeinfache Lie-Gruppen übertragen.^[6]

Literatur

• T. Ando: Totally positive matrices. In: Linear Algebra Appl. Band 90, 1987, S. 165–219.
• F. Brenti: The applications of total positivity to combinatorics, and conversely. In: F. R. Gantmacher, M. G. Krein: Oscillation matrices and kernels and small vibrations of mechanical systems. AMS Chelsea Publ., Providence, RI 2002, S. 451–473.
• George Lusztig: Introduction to total positivity. In: Positivity in Lie theory: open problems. (= de Gruyter expositions in mathematics. Band 26). de Gruyter, Berlin 1998, ISBN 3-11-016112-5, S. 133–145.
• S. Fomin, A. Zelevinsky: Total positivity: tests and parametrizations. In: Math. Intelligencer. Band 22, 2000, S. 23–33.
• G. Lusztig: A survey of total positivity. In: Milan J. Math. Band 76, 2008, S. 125–134.

Weblinks

• Minicourse on total positivity (Sergei Fomin, Euler Institute for Discrete Mathematics and its Applications)