3.10

Банаховы алгебры

[26/0%]
Показать
LaTeX
Задача 3.10.1

Используйте тождество (xy)n=x(yx)n−1y(x y)^{n} = x(y x)^{n-1} y, чтобы доказать, что xyx y и yxy x всегда имеют один и тот же спектральный радиус.

?
Задача 3.10.2
?
(a)

Если xx и xyx y обратимы в AA, докажите, что yy обратим.

(b)

Если xyx y и yxy x обратимы в AA, докажите, что xx и yy обратимы. (Коммутативный случай этого неявно использовался в доказательствах теорем 10.13 и 10.28).

(c)

Покажите, что возможно xy=ex y = e, но yx≠ey x \neq e. Например, рассмотрим правый и левый сдвиги SRS_{R} и SLS_{L}, определённые на некотором банаховом пространстве функций ff на неотрицательных целых числах формулами

(SRf)(n)=f(n−1) если n≥1(SRf)(0)=0(SLf)(n)=f(n+1) для всех n≥0 \begin{aligned} & \left(S_{R} f\right)(n) = f(n-1) \quad \text{ если } n \geq 1 \\ & \left(S_{R} f\right)(0) = 0 \\ & \left(S_{L} f\right)(n) = f(n+1) \quad \text{ для всех } n \geq 0 \end{aligned}
(d)

Если xy=ex y = e и yx=z≠ey x = z \neq e, покажите, что zz — нетривиальный идемпотент. (Это означает, что z2=z,z≠0,z≠ez^{2} = z, z \neq 0, z \neq e).

Задача 3.10.3

Докажите, что каждая конечномерная AA изоморфна алгебре матриц. Указание: доказательство теоремы 10.2 показывает, что каждая AA изоморфна подалгебре P(A)\mathscr {P}(A). Заключите, что xy=ex y = e влечёт yx=ey x = e, если dim⁡A<∞\operatorname {dim} A < \infty.

?
Задача 3.10.4
?
(a)

Докажите, что e−yxe-y x обратим в AA, если e−xye-x y обратим. Указание: положим z=(e−xy)−1z = (e-x y)^{-1}, запишем zz как геометрический ряд (предположим ∥x∥<1,∥y∥<1\left\| x\right\| < 1, \left\| y\right\| < 1), и используйте тождество из упражнения 1, чтобы получить конечную формулу для (e−yx)−1(e-y x)^{-1} через x,y,zx, y, z. Затем покажите, что эта формула работает без каких-либо ограничений на ∥x∥\left\| x\right\| или ∥y∥\left\| y\right\|.

(b)

Если λ∈C,λ≠0\lambda \in \mathcal{C}, \lambda \neq 0, и λ∈σ(xy)\lambda \in \sigma (x y), докажите, что λ∈σ(yx)\lambda \in \sigma (y x). Таким образом, σ(xy)∪{0}=σ(yx)∪{0}\sigma (x y) \cup \left\{ 0\right\} = \sigma (y x) \cup \left\{ 0\right\}. Покажите, однако, что σ(xy)\sigma (x y) не всегда равно σ(yx)\sigma (y x).

Задача 3.10.5

Пусть A0A_{0} и A1A_{1} — алгебры всех комплексных 2×2-матриц вида

[α00β],[αβ0α] \left[\begin{smallmatrix} \alpha & 0 \\ 0 & \beta \end{smallmatrix}\right], \quad \left[\begin{smallmatrix} \alpha & \beta \\ 0 & \alpha \end{smallmatrix}\right]

Докажите, что каждая двумерная комплексная алгебра AA с единицей ee изоморфна одной из них, и что A0A_{0} не изоморфна A1A_{1}. Указание: покажите, что AA имеет базис {e,a}\left\{ e, a\right\}, в котором a2=λea^{2} = \lambda e при некотором λ∈C\lambda \in \mathbb {C}. Различайте случаи λ=0,λ≠0\lambda = 0, \lambda \neq 0. Покажите, что существует трёхмерная некоммутативная банахова алгебра.

?
Задача 3.10.6

Пусть AA — алгебра всех комплексных функций ff на {1,2,3,…}\left\{ 1,2,3, \ldots \right\}, равных 0 всюду, кроме конечного числа точек, с поточечными сложением и умножением и нормой

∥f∥=∑k=1∞k−2∣f(k)∣ \left\| f\right\| = \sum _{k = 1}^{\infty } k^{-2}\left|f(k)\right|

Покажите, что умножение непрерывно слева (следовательно, и справа, поскольку AA коммутативна), но не совместно непрерывно. (Присоединение единичного элемента, как предложено в разделе 10.1, ничего не изменило бы). Покажите, в самом деле, что существует последовательность {fn}\left\{ f_{n}\right\} в AA, такая что ∥fn∥→0\left\| f_{n}\right\| \rightarrow 0, но ∥fn2∥→∞\left\| f_{n}^{2}\right\| \rightarrow \infty, при n→∞n \rightarrow \infty.

?
Задача 3.10.7

Пусть C2=C2([0,1])C^{2} = C^{2}([0,1]) — пространство всех комплексных функций на [0, 1], вторая производная которых непрерывна. Выберем a>0,b>0a > 0, b > 0, и определим

∥f∥=∥f∥∞+a∥f′∥∞+b∥f′′∥∞ \left\| f\right\| = \left\| f\right\| _{\infty }+a\left\| f^{\prime }\right\| _{\infty }+b\left\| f^{\prime \prime }\right\| _{\infty }

Покажите, что это превращает C2C^{2} в банахово пространство при любом выборе a,ba, b, но что аксиомы банаховой алгебры выполняются тогда и только тогда, когда 2b≤a22 b \leq a^{2}. (Для необходимости рассмотрите xx и x2x^{2}).

?
Задача 3.10.8

Что происходит, если процесс присоединения единицы (описанный в разделе 10.1) применить к алгебре AA, которая уже имеет единицу? Очевидно, результатом не может быть алгебра A1A_{1} с двумя единицами. Объясните.

?
Задача 3.10.9

Пусть Ω\Omega открыто в CC, и пусть f:Ω→Af: \Omega \rightarrow A и φ:Ω→C\varphi : \Omega \rightarrow C голоморфны. Докажите, что φf:Ω→A\varphi f: \Omega \rightarrow A голоморфна.

?
Примечание.
?

Это использовалось в доказательстве теоремы 10.13, с φ(λ)=λn\varphi (\lambda ) = \lambda^{n}.

Задача 3.10.10

Другое доказательство того, что σ(x)≠∅\sigma (x) \neq \varnothing, можно основать на теореме Лиувилля 3.32 и факте, что (λe−x)−1→0(\lambda e-x)^{-1} \rightarrow 0 при λ→∞\lambda \rightarrow \infty. Дополните детали.

?
Задача 3.10.11

Назовём x∈Ax \in A топологическим делителем нуля, если существует последовательность {yn}\left\{ y_{n}\right\} в AA, с ∥yn∥=1\left\| y_{n}\right\| = 1, такая что

lim⁡n→∞xyn=0=lim⁡n→∞ynx \lim _{n \rightarrow \infty } x y_{n} = 0 = \lim _{n \rightarrow \infty } y_{n} x
?
(a)

Докажите, что каждая граничная точка xx множества всех обратимых элементов AA является топологическим делителем нуля. Указание: возьмите yn=xn−1/∥xn−1∥y_{n} = x_{n}^{-1} /\left\| x_{n}^{-1}\right\|, где xn→xx_{n} \rightarrow x.

(b)

В каких банаховых алгебрах 0 является единственным топологическим делителем 0?

Задача 3.10.12

Найдите спектр оператора T∈B(ℓ2)T \in \mathscr {B}\left(\ell^{2}\right), заданного формулой

T(x1,x2,x3,x4,…)=(−x2,x1,−x4,x3,…) T\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}, x_{4}, \ldots \right) = \left(-x_{2}, x_{1},-x_{4}, x_{3}, \ldots \right)
?
Задача 3.10.13

Пусть K={λ∈C:1≤∣λ∣≤2}K = \left\{ \lambda \in \mathscr {C}: 1 \leq \left|\lambda \right| \leq 2\right\}. Положим f(λ)=λf(\lambda ) = \lambda. Пусть AA — наименьшая замкнутая подалгебра C(K)C(K), содержащая 1 и ff. Пусть BB — наименьшая замкнутая подалгебра C(K)C(K), содержащая ff и 1/f1 / f. Опишите спектры σA(f)\sigma_{A}(f) и σB(f)\sigma_{B}(f).

?
Задача 3.10.14
?
(a)

Теорема Фубини была применена к векторнозначным интегралам в доказательстве теоремы 10.29. Обоснуйте это.

(b)

Постройте доказательство теоремы 10.29, не использующее контурных интегралов, следующим образом: докажите теорему сначала для многочленов gg, затем для рациональных функций gg без полюсов в Ω1\Omega_{1}, и получите общий случай из теоремы Рунге.

Задача 3.10.15

Пусть XX — банахово пространство, T∈B(X)T \in \mathscr {B}(X) компактен, и ∥Tn∥≥1\left\| T^{n}\right\| \geq 1 для всех n≥1n \geq 1. Докажите, что точечный спектр TT не пуст.

?
Задача 3.10.16

Пусть X=C([0,1])X = C([0,1]), и определим T∈B(X)T \in \mathscr {B}(X) формулой

(Tx)(s)=∫0sx(u)du(0≤s≤1) (T x)(s) = \int _{0}^{s} x(u) d u \quad (0 \leq s \leq 1)

Покажите, что σp(T)=∅\sigma_{p}(T) = \varnothing. Следовательно, f(σp(T))=∅f\left(\sigma_{p}(T)\right) = \varnothing для каждой ff, но если f≡0f \equiv 0, то f~(T)=\tilde{f}(T) = 0 ; следовательно

σp(f~(T))=σp(0)={0}≠∅ \sigma _{p}(\tilde{f}(T)) = \sigma _{p}(0) = \left\{ 0\right\} \neq \varnothing

Дополнительные условия в (c) и (d) теоремы 10.33, таким образом, необходимы.

?
Задача 3.10.17

Пусть спектр некоторого x∈Ax \in A несвязен. Докажите, что AA содержит нетривиальный идемпотент 2. (Определён в упражнении 2).

Докажите также, что A=A0⊕A1A = A_{0} \oplus A_{1}, где

A0={x:zx=0},A1={x:zx=x} A_{0} = \left\{ x: z x = 0\right\} , \quad A_{1} = \left\{ x: z x = x\right\}
?
Задача 3.10.18

Пусть Ω\Omega открыто в C,α\mathcal{C}, \alpha — изолированная граничная точка Ω,f:Ω→X\Omega , f: \Omega \rightarrow X — голоморфная XX-значная функция (где XX — некоторое комплексное банахово пространство), и пусть существует наименьшее неотрицательное целое nn, такое что

∣λ−α∣n∥f(λ)∥ \left|\lambda -\alpha \right|^{n}\left\| f(\lambda )\right\|

ограничено при λ→α\lambda \rightarrow \alpha. Если n>0n > 0, говорят, что ff имеет полюс порядка nn в точке α\alpha.

?
(a)

Пусть x∈Ax \in A, и (λe−x)−1(\lambda e-x)^{-1} имеет полюс в каждой точке σ(x)\sigma (x). Докажите, что существует нетривиальный многочлен PP, такой что P(x)=0P(x) = 0.

(b)

В качестве частного случая (a)(a), предположим σ(x)={0}\sigma (x) = \left\{ 0\right\}, и (λe−x)−1(\lambda e-x)^{-1} имеет полюс порядка nn в 0. Докажите, что xn=0x^{n} = 0.

Примечание.
?

В пункте (a): это может произойти только тогда, когда σ(x)\sigma (x) — конечное множество.

Задача 3.10.19

Пусть SRS_{R} — правый сдвиг, действующий на ℓ2\ell^{2}, как в упражнении 2. Пусть {cn}\left\{ c_{n}\right\} — последовательность комплексных чисел, таких что cn≠0c_{n} \neq 0, но cn→0c_{n} \rightarrow 0 при n→∞n \rightarrow \infty. Определим M∈B(ℓ2)M \in \mathscr {B}\left(\ell^{2}\right) формулой

(Mf)(n)=cnf(n)(n≥0) (M f)(n) = c_{n} f(n) \quad (n \geq 0)

и определим T∈B(ℓ2)T \in \mathscr {B}\left(\ell^{2}\right) равенством T=MSRT = M S_{R}.

?
(a)

Вычислите ∥Tm∥\left\| T^{m}\right\|, при m=1,2,3,…m = 1,2,3, \ldots.

(b)

Покажите, что σ(T)={0}\sigma (T) = \left\{ 0\right\}.

(c)

Покажите, что TT не имеет собственных значений. (Его точечный спектр, следовательно, пуст, хотя его спектр состоит из одной точки!)

(d)

Покажите, что (λI−T)−1(\lambda I-T)^{-1} не имеет полюса в 0.

(e)

Покажите, что TT — компактный оператор.

Задача 3.10.20

Пусть x∈A,xn∈Ax \in A, x_{n} \in A, и lim⁡xn=x\lim x_{n} = x. Пусть Ω\Omega — открытое множество в C\mathscr {C}, содержащее компоненту σ(x)\sigma (x). Докажите, что σ(xn)\sigma \left(x_{n}\right) пересекает Ω\Omega для всех достаточно больших nn. (Это усиливает теорему 10.20). Указание: если σ(x)⊂Ω∪Ω0\sigma (x) \subset \Omega \cup \Omega_{0}, где Ω0\Omega_{0} — открытое множество, не пересекающееся с Ω\Omega, рассмотрите функцию ff, равную 1 на Ω\Omega, 0 на Ω0\Omega_{0}.

?
Задача 3.10.21

Пусть CRC_{R} — алгебра всех действительных непрерывных функций на [0,1][0,1], с нормой супремума. Она удовлетворяет всем требованиям банаховой алгебры, за исключением того, что скаляры теперь действительны.

?
(a)

Если ϕ(f)=∫01f(t)dt\phi (f) = \int_{0}^{1} f(t) d t, то ϕ(1)=1\phi (1) = 1, и ϕ(f)≠0\phi (f) \neq 0, если ff обратима в CRC_{R}, но ϕ\phi не мультипликативен.

(b)

Если GG и G1G_{1} определены в CRC_{R}, как в теореме 10.34, покажите, что G/G1G / G_{1} — группа порядка 2.

Аналоги теоремы 10.9 и пункта (d) теоремы 10.34, таким образом, неверны для действительных скаляров. Где именно нарушилось бы доказательство пункта (d) теоремы 10.34?

Задача 3.10.22

Пусть A=C(T)A = C(T) — алгебра всех непрерывных комплексных функций на единичной окружности TT, с нормой супремума. Покажите, что два обратимых элемента C(T)C(T) лежат в одном и том же классе смежности G1G_{1} тогда и только тогда, когда они являются гомотопными отображениями TT в множество всех ненулевых комплексных чисел. Выведите отсюда, что G/G1G / G_{1} изоморфна аддитивной группе целых чисел. (Обозначения такие же, как в теореме 10.34).

?
Задача 3.10.23

Пусть A=M(R)A = M(R) — алгебра свёртки всех комплексных борелевских мер на действительной прямой; см. пункт (e) примера 10.3. Дополните детали в следующем доказательстве того, что G/G1G / G_{1} несчётна: если α∈R\alpha \in R, пусть δα\delta_{\alpha } — единичная масса, сосредоточенная в α\alpha. Предположим δα∈G1\delta_{\alpha } \in G_{1}. Тогда δα=exp⁡(μα)\delta_{\alpha } = \exp \left(\mu_{\alpha }\right) для некоторой μα∈M(R)\mu_{\alpha } \in M(R); следовательно, при −∞<t<∞-\infty < t < \infty,

−iαt=μ^α(t)+2kπi -i \alpha t = \hat{\mu }_{\alpha }(t)+2 k \pi i

где kk — целое число. Поскольку μ^α\hat{\mu }_{\alpha } — ограниченная функция, α=0\alpha = 0. Таким образом, δ0\delta_{0} — единственная δα\delta_{\alpha } в G1G_{1}. Следовательно, ни один класс смежности G1G_{1} в GG не содержит более одной δα\delta_{\alpha }.

?
Задача 3.10.24
?
(a)

Докажите, что AA коммутативна, если существует константа M<∞M < \infty, такая что ∥xy∥≤M∥yx∥\left\| x y\right\| \leq M\left\| y x\right\| для всех xx и yy в A. Указание: ∥w−1yw∥≤M∥y∥\left\| w^{-1} y w\right\| \leq M\left\| y\right\|, если ww обратим в AA. Замените ww на exp⁡(λx)\exp (\lambda x), где x∈Ax \in A и λ∈C\lambda \in \mathbb {C}. Продолжите, как в теореме 12.16.

(b)

Докажите, что AA коммутативна, если ∥x2∥=∥x∥2\left\| x^{2}\right\| = \left\| x\right\|^{2} для каждого x∈Ax \in A. Указание: покажите, что ∥x∥=ρ(x)\left\| x\right\| = \rho (x). Используйте упражнение 1, чтобы вывести, что ∥w−1yw∥=∥y∥\left\| w^{-1} y w\right\| = \left\| y\right\|. Продолжите, как в (a).

Задача 3.10.25

Что касается проблемы инвариантного подпространства, описанной во введении к теореме 10.35, объясните, почему проблема

?
(a)

тривиальна в Cn\mathscr {C}^{n},

(b)

отличается в Rn\mathbb {R}^{n},

(c)

не представляет интереса, если XX не сепарабельно.

Как следовало бы переформулировать теорему Ломоносова, когда X=ΦnX = \Phi^{n}?

Задача 3.10.26

Пусть SRS_{R} — правый сдвиг на ℓ2\ell^{2}, как в упражнении 2. Докажите, что 0 — единственный компактный T∈B(ℓ2)T \in \mathscr {B}\left(\ell^{2}\right), коммутирующий с SRS_{R}. Указание: если T≠0T \neq 0, то

∥T(SRNx)−T(SRMx)∥ \left\| T\left(S_{R}^{N} x\right)-T\left(S_{R}^{M} x\right)\right\|

не стремится к 0, когда N−M→∞N-M \rightarrow \infty.

?