Лекция № 19 Банаховы алгебры Ранее мы изучали линейные нормированные пространства. Был выделен важный класс – банаховы пространства. Эта лекция посвящена введению в теорию банаховых алгебр, т.е. банаховых пространств, в которых определено умножение элементов. Определение и примеры банаховых алгебр. Напомним, что линейным пространством называется непустое множество элементов, в котором введены две операции – сложение элементов и умножение их на числа, удовлетворяющие восьми аксиомам, сформулированных в лекции № 8. Определение 1. Линейное пространство X называется алгеброй, если в нем введена еще одна операция – умножение, которое удовлетворяет следующим аксиомам: (1) ( xy) z x( yz) . (2) x( y z ) xy xz , ( y z ) x yx zx . (3) ( xy) (x) y x(y) . (4) Если существует элемент e X такой, что ex xe x для всех x X , то e называется единицей алгебры X , а сама алгебра называется алгеброй с единицей. Заметим, что единица в алгебре всегда единственна, ибо если бы элемент e~ также обладал бы свойством (4), то мы бы получили e~ ee ~ e. (5) Если операция умножения коммутативна, т.е. если выполняется аксиома xy yx , то алгебру X называют коммутативной алгеброй. Коммутативные алгебры с единицей и будут, в основном, предметом нашего изучения. Всюду в этой лекции числовое поле, над которым рассматриваются наши алгебры, это поле комплексных чисел C . В лекции № 9 было введено понятие нормированного пространства, т.е. линейного пространства, снабженного нормой || x || , удовлетворяющей трем аксиомам. Определение 2. Нормированное пространство X называется нормированной алгеброй, если оно является алгеброй с единицей, и при этом выполнены еще две аксиомы: 239 (6) || e || 1 . (7) || xy |||| x || || y || . Если еще нормированная алгебра X полна (т.е. является банаховым пространством), то она называется банаховой алгеброй. Отображение F : X Y называют гомоморфизмом алгебры X и Y , если выполнены условия (1) F ( x y) Fx Fy , (2) F (x) Fx , (3) F ( xy) Fx Fy . Две алгебры, X и Y , называются (алгебраически) изоморфными, если существует взаимно однозначное отображение F , удовлетворяющее условиям (1) – (3). Нормированные пространства X и Y называют изометричными, если существует взаимно однозначное отображение F : X Y , удовлетворяющее условиям (1) и (2) и, кроме того, условию || Fx ||Y || x || X . Определение 3. Две банаховы алгебры X и Y называются изометрически изоморфными, если существует алгебраический изоморфизм F : X Y , являющийся изометрией X и Y как нормированных пространств. Примеры банаховых алгебр. Рассмотрим некоторые примеры. Пример 1. Комплексные числа {z} – простейший пример банаховой алгебры, если ввести норму формулой || z || | z | x 2 y 2 , ( z x iy ). Комплексные числа образуют поле C . В нем для всех элементов, кроме нуля, определено деление – операция, обратная умножению. Можно показать, что C есть единственная нормированная алгебра, являющаяся полем. Пример 2. Пусть T – некоторое компактное хаусдорфово топологическое пространство. Обозначим через C (T ) линейное пространство всех непрерывных комплекснозначных функций x(t ) , заданных на T с обычными для функций операциями сложения и умножения на числа, в котором норма определяется равенством || x || max | x(t ) | . tT 240 Ранее рассматривался частный случай этой коммутативной банаховой алгебры – это алгебра C[a, b] . Единицей в этой алгебре служит функция e(t ) 1 . Задача 1. Убедитесь, что C (T ) действительно есть коммутативная банахова алгебра. Пример 3. Алгебра A(K ) аналитических функций в круге состоит из всех функций x(z) комплексного переменного z , определенных и непрерывных в круге K {z :| z | 1} и аналитических внутри этого круга. Определим умножение в A(K ) как обычное умножение функций, и зададим норму формулой || x || max | x( z ) | . | z |1 A(K ) таким образом превращается в коммутативную банахову алгебру с единицей. Пример 4. Алгебра l1 , элементами которой являются последовательности || x || x (0 ,1,..., n ,...) комплексных чисел, для которых | k | . Превратим его в банахову алгебру, определив умно- k 0 жение следующим образом: если x (0 ,1,..., n ,...) , а y (0 ,1,..., n ,...) , то z x y определим как такую последовательность z ( 0 , 1,..., n ,...) , где n n k n k . k 0 Так определенная операция умножения элементов из l1 называется сверткой. Пример 5. Рассмотрим Винерово кольцо W , элементами которого являются последовательности всех двусторонних абсолютно суммируемых последовательностей x (..., k ,..., 1,0 ,1,..., k ,...) комплексных чисел с нормой || x || | k | . Превратим его в бана- k хову алгебру, определив умножение следующим образом: если 241 x (..., k ,..., 1,0 ,1,..., k ,...) , а y (..., k ,..., 1,0 ,1,..., k ,...) , то произведение (свертку) z x y определим как такую последовательность, члены которой z (..., k ,..., 1, 0 , 1,..., n ,...) определяются как n k n k . k Так определенная операция умножения элементов из W , называемая сверткой, превращает банахово пространство W в коммутативную банахову алгебру с единицей. Задача 2. Убедитесь, что l1 и W действительно есть коммутативные банаховы алгебры. Укажите единичные векторы этих алгебр. Пример 6. Банахова алгебра ограниченных линейных операторов. Пусть X – банахово пространство. Рассмотрим пространство L( X , X ) всех линейных непрерывных операторов, отображающих X в себя, с обычными для операторов действиями сложения, умножения оператора на число и умножения (суперпозиции) операторов. L( X , X ) превращается в банахову алгебру, если ввести обычную операторную норму || A || sup || Ax || для любого A L( X , X ) . || x||1 Все факты, которые убеждают нас в том, что L( X , X ) – банахова алгебра, нами уже доказаны ранее. Алгебра L( X , X ) – важнейший пример некоммутативной банаховой алгебры с единицей, в качестве которой выступает тождественный оператор E : Ex x x X . Обратимые элементы. Определение 4. Элемент x , принадлежащий коммутативной банаховой алгебре с единицей, называется обратимым, если существует такой элемент y X , что xy yx e , где e – единица алгебры X . Элемент y называется обратным к x и обозначается через x 1 : y x 1 . Лемма 1. Если расстояние от некоторого элемента x X до единицы e алгебры X не превосходит 1 , т.е. || e x || 1 , то x – обратимый элемент. Доказательство. Обозначим y e x ; тогда || y || 1 и x e y . Таким образом, отыскание обратного к x свелось к отысканию обратного к e y . Рассмотрим ряд e y y 2 ... y n .... Так как 242 || y || 1 , то этот ряд сходится по норме банахова пространства X к не которому z X , т.е. z k 0 y k . Утверждается, что z является обратным к x . Действительно, (e y)(e y y 2 ... y n ...) (e y y 2 ... y n ) ( y y 2 ... y n ...) e Таким образом, x 1 z k 0 y k , где y e x . (*) Лемма доказана. x0 e x X . Лемма 2. Если последовательность {xn } элементов банаховой алгебры X такова, что xn e при n , где e – единица алгебры X , Замечание 1. Принято считать, что то xn1 существует при достаточно больших n , и xn1 e при n . Доказательство. Действительно, если то xn e , yn e xn 0 , т.е. существует такое N 0 , что || e xn || 1 n N . Тогда, согласно леммы 1, каждый из xn обратим при n N , и в силу равенства (*) xn1 k 0 ( yn )k e yn ( yn )2 ... ( yn )k ... ., ( yn e xn ). Отсюда видно, что xn1 e yn ( yn )2 ... ( yn )k ... k 1 ( yn )k , и, поскольку || yn || || e xn || 1 , то || xn1 e || || k 1 ( yn ) k || k 1|| ( yn ) k || k 1|| yn || k || yn || . 1 || yn || Так как yn e xn 0 , т.е. || yn || 0 при n , то || xn1 e || || yn || (1 || yn ||) 0 . Отсюда видим, что xn1 e . Лемма доказана. Замечание 2. Равенство || y || k 1|| yn || k 1 || ny n || – это просто сумма число- вого ряда, которая легко вычисляется. Действительно, если число то обозначим через q таково, что | q | 1 , S m сумму Sm q q 2 ... q m ; Тогда 243 qSm q 2 q3 ... q m1 . Вычитая из первого равенства второе, получаем: Sm m1 qq 1 q . Поскольку при (1 q)Sm q q m1 , откуда m q m1 0 , то отсюда получаем равенство q k 1 q k 1 q . Обозначим через Eоб множество обратимых элементов коммутативной банаховой алгебры X . Тогда, по доказанному, внутренность единичного шара с центром в единице e содержится в Eоб , т.е. {x X :|| x e || 1} Eоб . Но множество обратимых элементов не исчерпывается внутренностью единичного шара с центром в единичном элементе нашей алгебры. Лемма 3. Множество Eоб обратимых элементов банаховой алгебры X представляет собой открытое множество в X . Операция перехода от x к x 1 непрерывна. Таким образом, множество Eоб обратимых элементов представляют собой топологическую группу по умножению. Доказательство. Пусть x Eоб . Докажем, что тогда существует 0 такое, что если || x y || , то y Eоб . Введем обозначение z x y . Тогда y x z x(e x1z) , так как x Eоб , т.е. x 1 существует. Далее, || x1z |||| x1 || || z || 1 при || z || 1 || x1 || , Тогда || e (e x1z) |||| x1z || 1 , т.е. элемент (e x 1z ) содержится внутри единичного шара с центром в единице нашей алгебры и, следовательно, согласно леммы 1 он обратим. Но тогда обратим и y x(e x1z) как произведение двух обратимых элементов. Далее, так как (e x1z) e при || z || 0 , то согласно леммы 2 при достаточно малом || z || имеем: (e x1z)1 e . Поэтому || x1 y 1 |||| x1 x1(e x1z)1 || 0 при || z || 0 . Тем самым доказано, что операция перехода от x к x 1 непрерывна. Лемма доказана. 244 Максимальные идеалы. Определение 5. Идеалом I коммутативной алгебры X называется подпространство X (возможно незамкнутое, т.е. линейное многообразие), обладающее тем свойством, что для всякого y I и любого x X произведение yx I . Идеал, состоящий из одного нуля, а также идеал, состоящий из всего X , мы называем тривиальными и в дальнейшем исключаем из рассмотрения. Максимальным называется идеал, не содержащийся ни в каком другом нетривиальном идеале. Отметим, что единица e нашей алгебры не может принадлежать нетривиальному идеалу I , так как если e I , то по определению ex x I x X , т.е. I X . Никакой из нетривиальных идеалов не содержит обратимых элементов, т.е. I Eоб . Действительно, если x обратим и x I , то тогда xx1 e I , откуда следует, что I X , т.е. I тривиален. Поскольку внутренность единичного шара состоит из обратимых элементов, т.е. S1(e) {x X :|| x e || 1} Eоб , то (e, I ) 1 . Поскольку еще нулевой элемент 0 алгебры принадлежит любому идеалу, то приходим к выводу, что (e, I ) 1 . Лемма 4. Для того чтобы элемент x X был обратим, необходимо и достаточно, чтобы он не принадлежал ни к какому идеалу. Необходимость. Если элемент x обратим и x I , то тогда xx1 e I , откуда следует, что I X , т.е. I тривиален. Достаточность. Если элемент x0 банаховой алгебры X необратим, то существует идеал I , содержащий этот элемент. Рассмотрим множество I x0 { y : y x0 z, z X } . Утверждается, что это – нетривиальный идеал. Действительно, если y1, y2 I x0 , то 1 y1 2 y2 1x0 z1 2 x0 z2 x0 (1z1 2 z2 ) I x0 , т.е. I x0 – подпространство. Далее, y I x0 и x X имеем: yx ( x0 z) x x0 ( zx) x0~ z I x0 . Таким образом, I x0 – идеал. Так как x0 0 и необратим, то I x0 не может совпадать со всей алгеброй X ; в противном случае существовал бы 245 элемент z0 X такой, что x0 z0 e , что противоречит необратимости x0 . Лемма доказана. Из предыдущих рассуждений следует, что множество обратимых элементов Eоб банаховой алгебры X есть дополнение к объединению идеалов: Eоб X \ I . Пусть I – идеал. Рассмотрим его замыкание [ I ] K . Утверждается, что K тоже идеал. Поскольку идеал I является линейным многообразием, то очевидно, что K тоже замкнутое линейное подпространство. Далее, если y K , то существует последовательность { yn } , yn I , такая, что yn y . Тогда для любого x X имеем: yx lim yn x , и так как yn x I , то отсюда следует, что yx K , т.е. K – n идеал. Замыкание [I ] нетривиального идеала I не может совпасть со всей алгеброй X , так как (e, I ) 1 . Выше изложенное резюмируем следующим образом: Утверждение 1. Для того чтобы элемент x банаховой алгебры X был обратим, необходимо и достаточно, чтобы x не принадлежал ни к какому замкнутому идеалу, т.е. Eоб X \ K . Введенное понятие (идеала) обсудим на примере алгебры C (T ) (см. пример 2). Пусть F – непустое подмножество компакта T . Множество M F {x(t ) C (T ) : x(t ) 0, t F} , состоящее из функций, обращающихся в нуль на F , образуют, очевидно, идеал в C (T ) . Максимальные идеалы в C (T ) допускают простое описание, являющиеся ключом к пониманию всего замысла теории коммутативных банаховых алгебр. Лемма 5. Максимальный идеал алгебры C (T ) есть совокупность всех функций из C (T ) , обращающихся в нуль в какой-либо одной фиксированной точке 0 множества T . Доказательство. Пусть M 0 {x(t ) C(T ) : x( 0 ) 0} . Для доказательства нашей леммы нам надо установить два факта: (А) Идеал M 0 максимален; 246 (В) Если какой-то идеал M алгебры C (T ) максимален, то он состоит из функций, обращающихся в нуль в какой-то фиксированной (одной!) точке из T . (А) Если идеал M 0 не максимален, то существует идеал M такой, что M 0 M . Пусть (t ) M \ M 0 , т.е. (t ) M , но ( 0 ) 0 . Тогда для любой функции x(t ) C(T ) положим z (t ) x(t ) x( 0 ) (t ) . ( 0 ) Тогда z ( 0 ) 0 , т.е. z(t ) M 0 M . Но тогда x( 0 ) (t ) M ( 0 ) как линейная комбинация функций из M . Получили, что C (T ) M , т.е. идеал M тривиален, откуда делаем вывод, что M 0 – максимальx(t ) z (t ) ный идеал. (В) Пусть какой-то идеал M алгебры C (T ) максимален. Возьмем функцию 0 (t ) M . Так как идеал не может содержать обратимые элементы, то она обязательно обращается в нуль в какой-нибудь точке 0 T , ибо в противном случае функция 0 (t ) была бы обратимым элементом алгебры C (T ) , так как тогда функция 1 0 (t ) непрерывна и является обратным элементом к 0 (t ) . Рассмотрим следующее подмножество идеала M : M 0 { (t ) M : ( 0 ) 0 ( 0 ) 0} M . Поскольку это множество – максимальный идеал, то M 0 M . Лемма доказана. Таким образом, мы получили, что в случае банаховой алгебры C (T ) непрерывных функций на компакте T между максимальными идеалами и точками из пространства T можно установить взаимно однозначное соответствие. Это позволяет трактовать функции на T как «функции на пространстве максимальных идеалов». Спектр и резольвента. Определение 6. Спектром (x) элемента x банаховой алгебры X называется множество комплексных чисел , для которых эле- 247 мент x e необратим. Если же он обратим, т.е. (x) , точку называют регулярной для элемента x X . Функция (1) Rx ( ) ( x e)1 , определенная на множестве регулярных точек элемента x , называется резольвентой этого элемента. Спектральным радиусом r (x) элемента x X называется число r ( x) sup | | . ( x ) (2) Таким образом, (при любом фиксированном x X ) комплексная плоскость разбилась на два непересекающихся множества: множество регулярных значений C таких, что при них элемент x e X обратим, и оставшуюся часть комплексной плоскости, называемой спектром (x) элемента x X . Рассмотрим несколько примеров. Пример 7. Если X C , т.е. X есть банахова алгебра комплексных чисел, то в ней обратимы все элементы, кроме нуля. Выражение ( x e)1 в данном случае выглядит так: ( 1) 1 1 , где , C , т.е. 1 i 2 , 1 i2 . Тогда спектром любого элемента C является комплексное число . Все остальные точки комплексной плоскости являются регулярными для C . Пример 8. Пусть X C (T ) , т.е. X есть банахова алгебра непрерывных комплекснозначных на компакте T функций. Тогда для обратимости элемента x(t ) C(T ) необходимо и достаточно, чтобы функция x(t ) была всюду отлична от нуля. Резольвента Rx ( ) в данном случае выглядит так: 1 . Rx ( ) ( x e)1 x(t ) Спектр (x) совпадает с множеством значений функции x(t ) , а спектральный радиус равен r ( x) || x || max | x(t ) | . tT Пример 9. Пусть X L(Y , Y ) есть банахова алгебра непрерывных линейных операторов, действующих из нормированного простран248 ства Y в Y , т.е. элементами A X являются ограниченные линейные операторы A : Y Y . Понятия спектра и резольвенты совпадают с введенными ранее понятиями спектра и резольвенты для операторов. Свойства спектра и резольвенты. Как было доказано в лемме 3, множество Eоб обратимых элементов банаховой алгебры X является открытым множеством. Из этого факта легко выводится следующее утверждение. Утверждение 2. Множество регулярных значений C \ ( x) произвольного элемента x банаховой алгебры X является открытым (на комплексной плоскости) множеством. Кроме того, резольвента Rx ( ) ( x e)1 является непрерывной функцией от на C \ ( x) , и (1) Rx ( ) Rx ( ) Rx ( ) Rx ( ) , (2) Rx ( ) Rx ( ) ( ) Rx ( ) Rx ( ) (Тождество Гильберта.) Доказательство. Если элемент x e алгебры X обратим, то в силу открытости множества Eоб обратимых элементов алгебры X , при , достаточно близких к , обратим и элемент x e алгебры X , так как || ( x e) ( x e) || | | . Таким образом, множество регулярных точек C \ ( x) элемента x X открыто. Далее, справедлива очевидная цепь равенств Rx ( ) Rx ( ) ( x e)1 ( x e)1 [(x e)(x e)]1 [(x e) ( x e)]1 ( x e)1( x e)1 Rx ( ) Rx ( ) , которая доказывает равенство (1) (не нуждающееся, впрочем, в доказательстве, если алгебра коммутативна). Докажем теперь тождество Гильберта (2). Rx ( ) ( x e)1 ( x e)1( x e)(x e)1 ( x e) Rx ( ) Rx ( ) , Rx ( ) ( x e)1 ( x e)1( x e)(x e)1 ( x e) Rx ( ) Rx ( ) . Тогда, вычитая из первого равенства второе, получим тождество Гильберта. Непрерывность резольвенты следует из леммы 3, в которой было доказано, что множество обратимых элементов Eоб открыто, и операция перехода от x к x 1 непрерывна. Утверждение доказано. 249 Теорема 1. Для любого линейного непрерывного функционала f X функция f ( Rx ( )) F ( ) аналитична на C \ ( x) и F ( ) 0 при | | . Доказательство. Поскольку Rx ( ) – непрерывная функция от , а f X – непрерывный линейный функционал, то для 0 ( x) lim 0 F ( ) F (0 ) lim 0 0 R ( ) Rx (0 ) . f x 0 Справедливо тождества Гильберта R x ( ) R x ( 0 ) ( 0 )R x ( ) R x ( 0 ) . Тогда F ( ) F ( 0 ) lim lim f R x ( )R x ( 0 ) f ( R x2 ( 0 )) . 0 0 0 Таким образом, установлена аналитичность F ( ) f ( Rx ( )) на C \ ( x) . Далее, так как при | ||| x || регулярно (т.е. C \ ( x) ), и | F ( ) || f ( Rx ( )) ||| f || X || Rx ( ) || || f || X || ( x e) 1 || || f || X C 0 при | | . || | | Теорема доказана. Следствие 1. Спектр (x) любого элемента x банаховой алгебры X есть непустое компактное множество комплексной плоскости C , а для спектрального радиуса справедлива оценка r ( x) || x || . (3) || ( x e) || Действительно, если (x) – пустое множество, то в силу теоремы 1 для любого линейного непрерывного функционала f X функция F ( ) f ( Rx ( )) является аналитической функцией на всей комплексной плоскости, т.е. F ( ) – целая функция, причем F ( ) 0 при | | . Значит, F ( ) 0 , т.е. f ( Rx ( )) f ((x e)1) 0 для любого f X . Но тогда в силу следствия из теоремы Хана-Банаха x 1 0 , что невозможно. Итак, спектр (x) не пуст. Далее, если | ||| x || , то 250 ( x e) 1 (1 )( e x ) 1 ( x ) k , k 0 причем этот ряд сходится по норме пространства X , откуда легко выводится оценка (3). Компактность спектра следует из того, что множество (x) замкнуто на комплексной плоскости как дополнение к множеству регулярных точек, которое, как мы убедились, открыто. А замкнутое ограниченное множество компактно. Заключение. Теория нормированных колец возникла в недрах функционального анализа. Основной вклад в ее развитие сделали советские математики в 50-60 годах 20-го века во главе с И.М.Гельфандом. Это – очень красивая теория, сравнимая по красоте разве что с теорией аналитических функций. Эта лекция – очень краткое введение в теорию коммутативных нормированных колец, которую иначе называют теорией банаховых алгебр. Литература Основная 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. – М.: Наука, 1977. Александров П.С. Введение в общую теорию множеств и функций. – М.: Гостехиздат, 1948. Дьедонне Ж. Основы современного анализа. – М.: Мир, 1964. Шилов Г.Е. Математический анализ. Специальный курс. – М.: Физматгиз, 1960. Шилов Г.Е. Математический анализ. Второй специальный курс. – М.: Наука, 1965. Канторович Л.В., Акилов Г.П. Функциональный анализ. – М.: Наука, 1977. Рудин У. Функциональный анализ. – М.: Мир, 1975. Дополнительная 8. Ахиезер Н.И., Глазман И.М. Теория линейных операторов в гильбертовом пространстве. – М.: Наука, 1966. 251 9. Келли Дж. Л. Общая топология. – М.: Наука, 1968. 10. Гельфанд И.М., Райков Д.А., Шилов Г.Е. Коммутативные нормированные кольца. – М.: Физматгиз, 1960. 11. Данфорд Н., Шварц Дж. Линейные операторы. Общая теория. – М.: ИЛ, 1962. 12. Данфорд Н., Шварц Дж. Линейные операторы. Спектральная теория. – М.: Мир, 1966. 13. Данфорд Н., Шварц Дж. Линейные операторы. Спектральные операторы. – М.: Мир, 1974. 14. Александров П.С. Введение в общую теорию множеств и функций. – Гостехиздат, 1948. 15. Курош А.Г. Лекции по общей алгебре. – М.: Наука, 1973. 16. Иманалиев М.И. Обобщенные решения интегральных уравнений первого рода. – Фрунзе: Илим, 1981. 17. Борубаев А.А., Панков П.С. Компьютерное представление кинематических топологических пространств. – Бишкек: КГНУ, 1999. КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ АНАЛИЗУ Подписано к печати 27.03.2002. Формат 60х84 1/16. Офсетная печать. Объем 16,25 п.л. Тираж 200 экз. Заказ 76. Издательство Кыргызско-Российского Славянского университета 720000, Бишкек, Киевская, 44 Отпечатано в типографии КРСУ 720000, Бишкек, Шопокова, 68 252