Satz von Gelfand-Neumark

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Die Gelfand-Neumark-Sätze (nach Israel Gelfand und Mark Neumark) und die GNS-Konstruktion bilden die Ausgangspunkte der mathematischen Theorie der C*-Algebren. Sie verbinden abstrakt definierte C*-Algebren mit konkreten Algebren von Funktionen und Operatoren.

Die ersten Beispiele von C*-Algebren, die man direkt nach der Definition angeben kann, sind die Algebra C_0(X) der stetigen Funktionen X \rightarrow \mathbb C auf einem lokalkompakten Hausdorff-Raum X, die im Unendlichen verschwinden (siehe hierzu C0-Funktion), und die Unter-C*-Algebren von L(H), wobei L(H) die Algebra der beschränkten, linearen Operatoren auf einem Hilbertraum H ist.

Die Gelfand-Neumark-Sätze zeigen, dass dies bis auf isometrische *-Isomorphie bereits alle möglichen C*-Algebren sind. Diese Resultate sind erstaunlich, denn in der Definition der C*-Algebren ist weder von lokalkompakten Hausdorff-Räumen noch von Hilberträumen die Rede.

Satz von Gelfand-Neumark, kommutativer Fall[Bearbeiten]

Ist A eine kommutative C*-Algebra, so gibt es einen lokalkompakten Hausdorff-Raum X und einen isometrischen *-Isomorphismus zwischen A und C_0(X) .

Konstruktion des lokalkompakten Hausdorffraums[Bearbeiten]

X ist die Menge aller von der Nullabbildung verschiedenen *-Homomorphismen \chi \colon A \rightarrow \mathbb C. Zu jedem a \in A ist durch \tilde{a}(\chi)=\chi(a) eine Abbildung \tilde{a}: X \rightarrow \mathbb C definiert. Schließlich kann man beweisen, dass die Topologie der punktweisen Konvergenz X zu einem lokalkompakten Hausdorff-Raum macht und dass a \rightarrow \tilde{a} ein isometrischer *-Isomorphismus zwischen A und C_0(X) ist.

Bemerkungen[Bearbeiten]

Nach diesem Satz kann ein Element einer kommutativen C*-Algebra wie eine stetige Funktion behandelt werden, was sich zum sogenannten stetigen Funktionalkalkül ausbauen lässt. So ist z.B. das Spektrum eines Elementes nichts weiter als der Abschluss des Bildes der zugehörigen stetigen Funktion.

Dieser Satz eröffnet ein sehr fruchtbares Zusammenspiel zwischen algebraischen Eigenschaften von C*-Algebren und topologischen Eigenschaften lokalkompakter Räume. Ist A \cong C_0(X) , so hat man neben vielen anderen folgende Entsprechungen:

Topologische Begriffsbildungen werden in algebraische Eigenschaften kommutativer C*-Algebren übersetzt und dann auf nicht-kommutative C*-Algebren verallgemeinert; das ist häufig der Ausgangspunkt weiterer Theorien. Aus diesem Grunde bezeichnet man die Theorie der C*-Algebren auch als nicht-kommutative Topologie.

Satz von Gelfand-Neumark, allgemeiner Fall[Bearbeiten]

Ist A eine C*-Algebra, so gibt es einen Hilbert-Raum H, so dass A isometrisch *-isomorph zu einer Unter-C*-Algebra von L(H) ist.

Konstruktion des Hilbertraums[Bearbeiten]

Sei f:A\rightarrow \mathbb C ein stetiges lineares Funktional mit \|f\| = 1 und f(x^*x) \ge 0 für alle x \in A . Solche Funktionale nennt man auch Zustände von A. Zum Zustand f setze N_f := \{x\in A: f(x^*x) = 0\} . Dann definiert die Formel  \langle x+N_f, y+N_f\rangle = f(y^*x) ein Skalarprodukt auf dem Quotientenraum  A/N_f . Die Vervollständigung bzgl. dieses Skalarproduktes ist ein Hilbertraum  H_f . Für jedes  a \in A lässt sich die Abbildung  x+N_f \mapsto ax+N_f zu einem stetigen linearen Operator  \pi_f(a) auf  H_f fortsetzen. Dann zeigt man, dass die so erklärte Abbildung  \pi_f: A \rightarrow L(H_f) ein *-Homomorphismus ist. Schließlich konstruiert man aus der Gesamtheit der so gewonnenen Hilberträume  H_f einen Hilbertraum der gewünschten Art.

Bemerkungen[Bearbeiten]

Ein Element einer abstrakt definierten C*-Algebra kann also wie ein beschränkter linearer Operator auf einem Hilbertraum behandelt werden.

Die oben beschriebene Konstruktion von  \pi_f aus f heißt die GNS-Konstruktion, wobei GNS für Gelfand, Neumark und Segal steht.

Man nennt *-Homomorphismen der Art \pi: A \rightarrow L(H) auch Darstellungen von A auf H. Nach obigem Satz hat jede C*-Algebra eine treue (d.h. injektive) Darstellung auf einem Hilbertraum. Eine Darstellung heißt topologisch irreduzibel, wenn es keinen echten von 0 verschiedenen abgeschlossenen Unterraum U von H gibt, für den  \pi(a)U \subset U für alle  a\in A gilt.

Satz von Segal[Bearbeiten]

Ist A eine C*-Algebra, so ist der Zustandsraum S(A) konvex und f \in S(A) ist genau dann ein Extremalpunkt, wenn die Darstellung  \pi_f: A \rightarrow L(H_f) topologisch irreduzibel ist.

Jede irreduzible Darstellung von A ist von der Form  \pi_f für einen extremalen Zustand f von A.

Weitere Bemerkungen[Bearbeiten]

Auf dieser Grundlage wurde eine sehr weit reichende Darstellungstheorie für C*-Algebren entwickelt. C*-Algebren lassen sich durch die Bilder ihrer irreduziblen Darstellungen weiter klassifizieren. So heißt eine C*-Algebra liminal, wenn das Bild einer jeden irreduziblen Darstellung mit der Algebra der kompakten Operatoren zusammenfällt. Eine C*-Algebra heißt postliminal, wenn das Bild einer jeden irreduziblen Darstellung die Algebra der kompakten Operatoren enthält.

Literatur[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Chun-Yen Chou: Notes on the separability of C*-algebras, Taiwanese Journal of Mathematics, Band 16 (2), 2012, Seiten 555-559
  2. Gert K. Pedersen: C*-Algebras and Their Automorphism Groups, Academic Press Inc. (1979), ISBN 0-1254-9450-5, Satz 3.10.5