We study the combinatorial and algebraic properties of Nonnegative Matrices. Our results are divided into three different categories. 1. We show a quantitative generalization of the 100 year-old Perron-Frobenius theorem, a fundamental theorem which has been used within diverse areas of mathematics. The Perron-Frobenius theorem states that every irreducible nonnegative matrix $R$ has a largest positive eigenvalue $r$, and every other eigenvalue $\lambda$ of $R$ is such that $\text{Re}\lambda<r$ and $|\lambda|\leq r$. We capture the notion of irreducibility through the widely studied notion of edge expansion $\phi$ of $R$ which intuitively measures how well-connected the underlying digraph of $R$ is, and show a quantitative relation between the spectral gap $\Delta=1-\text{Re}\lambda/r$ (where $\lambda\not=r$ is the eigenvalue of $R$ with the largest real part) and the edge expansion $\phi$, providing a more general result than the Cheeger-Buser inequalities, as follows.\[\dfrac{1}{15}\cdot\dfrac{\Delta(R)}{n}\leq\phi(R)\leq\sqrt{2\cdot\Delta(R)}.\] 2. We study constructions of specific nonsymmetric matrices (or nonreversible Markov Chains) that have small edge expansion but large spectral gap, and provide a novel construction of a nonreversible chain for which\[\phi(R)\leq\dfrac{\Delta(R)}{\sqrt{n}},\] and we also present a candidate construction of matrices for which\[\phi(R)\leq2\dfrac{\Delta(R)}{n},\] which is the most beautiful contribution of this thesis. 3. We connect edge expansion and spectral gap to other combinatorial properties of nonsymmetric matrices, such as mixing time and capacity, and provide elementary proofs or unified views of known results and new results relating the different combinatorial/algebraic properties. Notably, we show the monotonicity of capacity for nonsymmetric nonnegative matrices.


翻译:我们研究的是非正向的立方体和正向矩阵的特性。 我们的结果分为三个不同的类别。 1. 我们展示了100年的 Perron- Frobenius 参数的定量概括, 这是一个在数学的不同领域使用的基本理论。 Perron- Frobenius 理论显示, 每一个不可复制的非正向矩阵 $, 而每一个其他的正向值 $, 美元, 美元, 美元, 美元, 美元, 立方( 立方美元), 等方值, 等方( 立方美元), 等方( 立方 立方美元), 等方( 立方美元) 等方( 立方美元) 等方( 立方( 立方美元) 等方( 立方元) 等方( 立方美元) 等方位, 且以正方美元 立方體的立方體變化效果, 等方(

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