C*-algebra (czyt. ce-gwiazdka-algebra; czasami algebra typu ce-gwiazdka) – zespolona algebra Banacha z dodatkowym działaniem inwolucji ( jest więc *-algebrą), spełniającym warunek
- (C*)
Motywacją rozważania pojęcia C*-algebry była chęć aksjomatycznego ujęcia własności algebraicznych obserwabli w mechanice kwantowej. C*-algebry będące podalgebrami algebry operatorów ograniczonych na przestrzeni Hilberta pojawiły się w matematyce i fizyce matematycznej w latach 30. XX wieku.
Przykłady
[edytuj | edytuj kod]- Niech będzie przestrzenią Hilberta. Algebra wszystkich operatorów liniowych i ograniczonych na ma strukturę algebry Banacha (normą w tej algebrze jest norma operatorowa). Operacja sprzężenia operatora jest inwolucją na tej algebrze spełniającą warunek (C*), tj. algebra jest C*-algebrą. C*-algebra ta jest nieprzemienna, gdyż istnieją niekomutujące ze sobą operatory na przestrzeni Hilberta.
- Operatory zwarte na przestrzeni Hilberta tworzą domknięty ideał w algebrze (w szczególności, tworzą one domkniętą podalgebrę ). Algebra operatorów zwartych jest zamknięta na inwolucję, a więc sama jest C*-algebrą. Identyczność na nieskończenie wymiarowej przestrzeni Hilberta nie jest operatorem zwartym, a więc algebra nie ma jedynki.
- Niech będzie lokalnie zwartą przestrzenią Hausdorffa. W przestrzeni Banacha złożonej z zespolonych funkcji ciągłych na i znikających w nieskończoności (normą w tej przestrzeni jest norma supremum) można wprowadzić działanie mnożenia określone punktowo oraz inwolucję, definiując jako sprzężenie zespolone wartości dla każdego punktu przestrzeni Przestrzeń z tak zadanymi działaniami mnożenia i inwolucji jest przemienną C*-algebrą. Algebra ta ma jedynkę wtedy i tylko wtedy, gdy przestrzeń jest zwarta (wówczas jej elementami są wszystkie zespolone funkcje ciągłe na w tym przypadku używa się zwykle symbolu zamiast ). Przestrzeń (z działaniami mnożenia i inwolucji zadanymi podobnie) jest również przemienną C*-algebrą. W szczególności, przestrzeń jest izomorficzna z przestrzenią gdzie oznacza uzwarcenie Čecha-Stone’a zbioru liczb naturalnych z topologią dyskretną. Podobnie, przestrzeń c0 jest algebrą postaci gdzie jest zbiorem liczb naturalnych z topologią dyskretną.
- W przypadku gdy jest C*-algebrą oraz oznacza algebrę macierzy kwadratowych stopnia to algebrę macierzy o współczynnikach z algebry można w naturalny sposób wyposażyć w strukturę C*-algebry (por. podjednorodna C*-algebra).
Elementy normalne, samosprzężone i rzutowania
[edytuj | edytuj kod]Pojęcia operatora normalnego, samosprzężonego, rzutu rozszerza się na elementy C*-algebr. Dokładniej, o elemencie C*-algebry mówi się, że jest
- normalny, gdy komutuje ze swoim sprzężeniem, tj.
- samosprzężony, gdy jest równy swojemu sprzężeniu, tj.
- rzutem, gdy jest samosprzężony i idempotentny, tj. oraz
Klasyfikacja rzutów
[edytuj | edytuj kod]Istnieje naturalna relacja równoważności w rodzinie rzutów danej C*-algebry Dwa rzuty są równoważne w sensie Murraya-von Neumanna (ozn. ), gdy istnieje taka częściowa izometria że i Rzuty dzieli się na skończone i nieskończone. Rzut w C*-algebrze jest
- nieskończony, gdy dla pewnego właściwego rzutu spełniającego
- skończony, gdy nie jest nieskończony.
Spośród rzutów nieskończonych wyróżnia się rzuty nieskończone w sposób właściwy, tj. takie rzuty dla których istnieją takie dwa rzuty że (wzajemna ortogonalność), oraz
Dla niezerowego rzutu następujące warunki są równoważne:
- jest nieskończony w sposób właściwy,
- istnieją takie częściowe izometrie że oraz
- obraz w dowolnej algebrze ilorazowej poprzez kanoniczny homomorfizm ilorazowy jest albo rzutem zerowym albo rzutem nieskończonym.
Przykładem rzutu, który jest nieskończony, ale nie jest nieskończony w sposób właściwy jest jedynka algebry Toepliza, tj. C*-algebry generowanej przez operator przesunięcia na
Elementy normalne i twierdzenie spektralne
[edytuj | edytuj kod]Każdy element samosprzężony jest normalny. Twierdzenie spektralne rozszerza się na elementy C*-algebr i w swej najbardziej abstrakcyjnej formie mówi, że najmniejsza C*-algebra z jedynką generowana przez element normalny jest przemienna. Twierdzenie, to prowadzi do pojęcia ciągłego rachunku funkcyjnego dla elementu normalnego tj. pozwala zdefiniować ściśle element gdzie jest zespoloną funkcją ciągłą określoną na widmie
W przypadku gdy C*-algebra jest postaci to jej rzutami są funkcje będące funkcjami charakterystycznymi domknięto-otwartych podzbiorów (jeżeli przestrzeń jest spójna i zwarta istnieją tylko dwa rzuty: funkcja stale równa 0 i funkcja stale równa 1).
Własności spektralne
[edytuj | edytuj kod]- Promień spektralny elementu normalnego jest równy jego normie.
- W przypadku, gdy C*-algebra ma jedynkę, to widmo elementu odwracalnego w jest zawarte w okręgu jednostkowym.
- Element C*-algebry jest samosprzężony wtedy i tylko, gdy jego widmo zawarte jest w zbiorze liczb rzeczywistych.
- Jeżeli i są C*-algebrami, oraz algebry te mają wspólną jedynkę, to widmo elementu algebry (względem algebry ) jest takie samo jak jego widmo względem algebry Innymi słowy, widmo nie zależy od C*-algebry, której jest on elementem.
Elementy unitarne, twierdzenie Russo-Dyego
[edytuj | edytuj kod]Element C*-algebry (z jedynką 1) jest unitarny, gdy (równoważnie, bądź ). Elementy unitarne uogólniają w naturalny sposób pojęcie macierzy czy operatora unitarnego. Russo i Dye udowodnili następujące twierdzenie[1].
- Twierdzenie Russo-Dyego: Niech będzie C*-algebrą z jedynką oraz niech będzie zbiorem elementów unitarnych w Wówczas domknięta kula jednostkowa jest równa domknięciu otoczki wypukłej zbioru tj.
Poniższy, elementarny dowód pochodzi od L.T. Gardnera[2].
- Dowód. Niech oraz Wystarczy uzasadnić, że należy do domknięcia zbioru To sprowadza się jednak do pokazania, iż dla każdego element należy do domknięcia Rzeczywiście,
- Ponieważ więc element jest odwracalny, skąd również jest elementem odwracalnym. Element jest więc postaci gdzie jest pewnym elementem unitarnym oraz
- gdzie jest również unitarne. Dowodzi, to że Z powyższego wynika więc, że zawiera się w zbiorze który jest domknięty i wypukły, a więc zawiera domknięcie Równoważnie,
- Ciąg elementów ze zbioru można zadać rekurencyjnie: – dowolny element oraz ciąg ten jest zbieżny do
Dodatniość, stany
[edytuj | edytuj kod]O operatorze na przestrzeni Hilberta mówi się, że jest dodatni (czasem ściślej: nieujemny), gdy dla każdego elementu z przestrzeni Hilberta spełniony jest warunek
Dodatniość operatora jest równoważna istnieniu takiego operatora że Właśnie tę definicję przenosi się na ogólne C*-algebry i definiuje się pojęcie elementu dodatniego w C*-algebrze jako takiego, który można przedstawić w postaci dla pewnego elementu C*-algebry Dla elementu C*-algebry następujące trzy warunki są równoważne:
- jest elementem dodatnim;
- widmo elementu zawiera się w nieujemnej półosi zbioru liczb rzeczywistych;
- istnieje taki element samosprzężony w C*-algebrze że
Zbiór elementów dodatnich w C*-algebrze tworzy stożek, oznaczany czasem symbolem Stożek ten jest domknięty i wypukły oraz spełnia warunek W stożku definiuje się porządek częściowy warunkiem wtedy i tylko wtedy, gdy element jest dodatni.
Funkcjonał liniowy na C*-algebrze jest nazywany dodatnim, gdy dla każdego elementu dodatniego z spełniony jest warunek Funkcjonał dodatni jest automatycznie ciągły (ograniczony). Funkcjonał dodatni o normie równej 1 nazywany jest stanem. Stan różnowartościowy nazywany jest wiernym.
Funkcjonał dodatni na C*-algebrze spełnia następujące warunki dla dowolnych elementów z
Powyższa nierówność jest więc pewną wersją nierówności Cauchy’ego-Schwarza. Założenie warunku (C*) nie jest tu istotne – te same własności mają funkcjonały dodatnie na dowolnych *-algebrach Banacha.
Reprezentacje
[edytuj | edytuj kod]Ważnym narzędziem w studiowaniu (abstrakcyjnych) C*-algebr są ich reprezentacje. Reprezentacją C*-algebry nazywa się parę gdzie jest pewną przestrzenią Hilberta oraz jest *-homomorfizmem (tj. homomorfizmem algebr zachowującym inwolucję; dla dowolnego ) o wartościach w *-algebrze wszystkich ograniczonych operatorów liniowych na ( z normą operatorową jest C*-algebrą). Szczególnie użyteczne okazują się reprezentacje o pewnych dodatkowych własnościach. I tak, o reprezentacji C*-algebry mówi się, że jest
- niezdegenerowana, gdy o ile tylko dla każdego jest takim elementem że to musi być wektorem zerowym;
- cykliczna, jeżeli istnieje taki element że zbiór jest gęsty w (wektor nazywany jest wówczas wektorem cyklicznym reprezentacji każda reprezentacja cykliczna jest niezdegenrowana);
- wierna, gdy jest monomorfizmem, tj. jeżeli to
- nieprzywiedlna, gdy rodzina operatorów nie ma wspólnej, domkniętej, nietrywialnej (tj. różnej od i ) podprzestrzeni niezmienniczej.
- Dla reprezentacji następujące warunki są równoważne:
- jest nieprzywiedlna,
- jest liczbą zespoloną
- jest gęste w w mocnej topologii operatorowej.
Istnieją dwa zasadnicze twierdzenia o reprezentacji C*-algebr:
- Twierdzenie Gelfanda-Najmarka mówi, że każda przemienna C*-algebra jest *-izomorficzna z C*-algebrą postaci dla pewnej lokalnie-zwartej przestrzeni Hausdorffa W istocie, przestrzeń jest przestrzenią Gelfanda C*-algebry (tj. transformata Gelfanda jest epimorfizmem).
- Twierdzenie Gelfanda-Najmarka-Segala mówi, że każda C*-algebra ma wierną reprezentację na pewnej przestrzeni Hilberta innymi słowy, każda C*-algebra jest *-izomorficzna z pewną pod-C*-algebrą algebry dla pewnej przestrzeni Hilberta
Aproksymowanie jedności, ideały, C*-algebry ilorazowe
[edytuj | edytuj kod]Każda C*-algebra ma aproksymowalną jedność składającą się z elementów samosprzężonych, tj. w każdej C*-algebrze istnieje taki ciąg uogólniony złożony z elementów samosprzężonych że dla dowolnego zachodzi
Rozważanie aproksymowalnych jedności jest zasadne w C*-algebrach, które nie mają jedności (gdy ma jedność można przyjąć ). W przypadku, gdy jest domkniętym ideałem (obustronnym) w C*-algebrze dla każdego elementu istnieje taki ciąg elementów o następujących własnościach:
- widmo każdego elementu zawarte jest w przedziale
(gdy ma jedność, wystarczy zdefiniować używając ciągłego rachunku funkcyjnego, wzorem ).
Używając tego faktu dowodzi się, że
- Domknięte ideały w C*-algebrach są zamknięte ze względu na inwolucję. Innymi słowy, same są C*-algebrami.
Jeżeli jest domkniętym ideałem w C*-algebrze oraz oraz to Z drugiej strony, oraz jest domknięty, więc
Zamkniętość domkniętych ideałów na inwolucję pozwala wprowadzić w ilorazowej algebrze Banacha powstałej przez ilorazowanie C*-algebry przez domknięty ideał inwolucję wzorem: Tak zadana inwolucja w spełnia warunek (C*).
C*-algebry mogą być ubogie w ideały obustronne. Skrajnymi przykładami mogą być C*-algebry proste (C*-algebra jest prosta, gdy nie ma ona innych ideałów obustronnych niż ideał trywialny oraz ideał niewłaściwy ). C*-algebry proste można konstruować jako C*-algebry ilorazowe gdzie jest pewną C*-algebrą oraz jest jej ideałem maksymalnym. Przykładem jest algebra Calkina, tj. C*-algebra gdzie jest ośrodkową przestrzenią Hilberta, a oznacza ideał operatorów zwartych na Algebra Calkina jest nieośrodkowa. Istnieją ośrodkowe C*-algebry proste, np. algebry Cuntza
Przeciwnie niż w przypadku ideałów obustronnych, C*-algebry mają zawsze nietrywialne ideały lewostronne. Jeżeli jest funkcjonałem dodatnim w C*-algebrze to zbiór
jest ideałem lewostronnym w W C*-algebrze z jedynką każdy domknięty ideał lewostronny jest tej postaci (ogólniej, w dowolnej C*-algebrze każdy domknięty ideał modularny jest tej postaci).
Iloczyny tensorowe C*-algebr
[edytuj | edytuj kod]Niech i będą C*-algebrami. Algebraiczny iloczyn tensorowy ma naturalną strukturę *-algebry. Każda norma w spełniająca warunek (C*) jest normą krzyżową przestrzeni Banacha, tj.
- [3].
Projektywny iloczyn tensorowy (przestrzeni Banacha) nie spełnia na ogół warunku (C*).
Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ B. Russo and H. A. Dye, A note on unitary operators in C*-algebras, „Duke Math. J.” 33 (1966), 413–416.
- ↑ L.T. Gardner, An Elementary proof of the Russo-Dye Theorem, „Proc. Amer. Math. Soc”. 90 (1984), s. 171.
- ↑ B.J. Vowden, C*-Norms and tensor products of C*-algebras, „J. London Math. Soc.” (2), 7 (1974), s. 595–596.
Bibliografia
[edytuj | edytuj kod]- W. Arveson, An Invitation to C*-algebra, „Graduate Texts in Mathematics” No. 39. Springer-Verlag, 1976.
- J. Dixmier, C*-Algebras, North Holland 1977.
- H.G. Dales, Banach algebras and automatic continuity, Clarendon Press, Oxford, 2000.
- M. Takesaki, Theory of Operator Algebras I. Berlin-Heidelberg-New York, Springer-Verlag 1979. VII.
Linki zewnętrzne
[edytuj | edytuj kod]- C*-algebra (ang.), Encyclopedia of Mathematics, encyclopediaofmath.org [dostęp 2024-04-05].