Álgebra de Banach

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En matemáticas, especialmente en el análisis funcional, un álgebra de Banach, que lleva el nombre del matemático Stefan Banach, es un álgebra asociativa A sobre los números reales o complejos (o sobre un cuerpo normado completo no arquimediano) que al mismo tiempo también es un espacio de Banach, es decir, un espacio normado que es completo bajo la métrica inducida por la norma. Llamando la norma de A como A , es necesario que satisfaga la condición

xyA xAyA, para todo x,yA.
Esta condición nos asegura que la multiplicación en A sea continua.

La teoría en álgebras de Banach puede variar mucho dependiendo del cuerpo en el que se trabaje. Por ejemplo, el espectro de un elemento en un álgebra de Banach compleja no trivial nunca será vacía, mientras en un álgebra de Banach real puede ser vacía para algunos elementos de ella. Es importante tener en cuenta que no debemos limitarnos al cuerpo de los reales o complejos, por ejemplo en el análisis p-ádico se trabaja con álgebras de Banach sobre cuerpos de números p-ádicos.

Definición

Sea A un álgebra asociativa sobre los reales o complejos (o sobre un cuerpo normado completo no arquimidiano). Sea A:A𝟘 una norma tal que

xyAxAyA para todo x,yA,

entonces diremos que A es un álgebra normada. Si además esta álgebra normada (A,A) es un espacio de Banach (espacio vectorial normado y completo) entonces la llamamos un álgebra de Banach.[1]

Note que un álgebra de Banach A no se asume ni conmutativa ( xy=yx para todo x,yA) ni unitaria ( existe 1AA tal que 1Ax=x1A=x para todo xA).

Llamaremos a un álgebra de Banach real o compleja cuando es sobre el cuerpo de los números reales o complejos respectivamente.

Estructura

Homomorfismos

Si A y B son álgebras de Banach sobre el cuerpo 𝕂, diremos que ρ:AB es un homomorfismo de álgebras de Banach si ρ es una función 𝕂-lineal que respeta la multiplicación en ambas álgebras, esto es

ρ(xAy)=ρ(x)Bρ(y) para todo x,yA,

donde A y B son las multiplicaciones en A y B respectivamente.

Dado un homomorfismo ρ definimos como el núcleo o kernel de ρ al conjunto ker(ρ):={xA;ρ(x)=0}el cual no es difícil ver que corresponde a un ideal de A.

Es importante tener en mente que no todo homomorfismo entre álgebras de Banach es continuo.

Álgebras unitarias

Un álgebra de Banach es llamada unitaria si posee un elemento neutro o unidad, esto es, existe 1AA tal que 1Ax=x1A=x para todo xA. No es difícil comprobar que 1AA1, de hecho podemos crear una norma equivalente a A, digamos A tal que 1AA=1. De este modo, en toda álgebra de Banach unitaria puede suponerse que la norma de la unidad es 1.

Cualquier álgebra de Banach A (unitaria o no) puede ser incrustada isométricamente en un álgebra de Banach unitaria Ae de tal modo que la imagen de A sería un ideal cerrado de Ae. En otras palabras, existe un homomorfimos de álgebras de Banach ρ:AAe isométrico tal que Ae es unitaria y ρ(A) es un ideal de Ae.

Comúnmente se asume desde un principio que un álgebra de Banach es unitaria,[1] la existencia de la unidad en Ae ayuda a desarrollar una gran cantidad de resultados que pueden ser trasladados al álgebra de Banach original A. Sin embargo este no siempre es el caso, por ejemplo no es posible definir todas las funciones trigonométricas en un álgebra de Banach sin la existencia de la unidad. Otro ejemplo común ocurre en el caso de las C*-álgebras, donde si A no tiene unidad, entonces el espectro de Gelfand de Ae será compacto mientras que el de A sólo será localmente compacto.

Elementos invertibles

Supondremos en esta parte que el álgebra de Banach A es unitaria con unidad 1A. Sea xA, diremos que x es invertible en A si existe un elemento yA tal que xy=yx=1A. No es difícil ver que este elemento y es único, usualmente se define x1:=y. Un subconjunto importante del álgebra A corresponde a

Inv(A):={x,x es invertible en A},

el cual una de sus propiedades es ser un subconjunto abierto de A.[2] Un problema interesante ocurre cuando consideramos una sub álgebra SA y observar si efectivamente Inv(S)S, a estas sub álgebras las llamamos simétricas.

Más aún, la función xx1 en Inv(A) es continua, transformando a este espacio en un grupo topológico.[2]

Ejemplos

El álgebra conmutativa C0(X)

Sea X un espacio de Hausdorff localmente compacto, definimos entonces

C0(X):={f:X,continuas que se anulan en el infinito},

en donde "anular en el infinito" significa lo siguiente: para todo ϵ>0, existe un compacto KX tal que |f(x)|ϵ para todo xXK.

(X debe satisfacer también la condición de ser σ-compacto).

El espacio C0(X) se transforma en un álgebra de compleja mediante la operación puntual, estos es, dadas f,gC0(X) y λ se tiene

  • Ponderación: λf:X donde (λf)(x)=λf(x) para todo xX.
  • Suma: f+g:X donde (f+g)(x)=f(x)+g(x) para todo xX.
  • Multiplicación: fg:X donde (fg)(x)=f(x)g(x) para todo xX.

Usando la norma del supremo definida por

f:=sup{|f(x)|,xX},

se tiene que C0(X) se transforma en un álgebra de Banach.

Compacidad de X

Si se añade la condición de que el espacio X sea compacto, entonces la condición "anular en el infinito" desaparece, es decir, C0(X) corresponde al espacio de funciones continuas en X. Además en este caso el álgebra C0(X) se vuelve unitaria, cuya unidad corresponde a la función

1X:X tal que 1X(x)=1 para todo xX

(no confundirse con la función identidad de X).

Observe que en este caso

Inv(C0(X))={fC0(X),f(x)0xX},

y si fInv(C0(X)) entonces f1 viene dada por f1(x)=1f(x) para todo xX.

Cn y Rn como álgebras de Banach

Considere el conjunto finito X:={1,2,,n} con la topología discreta, de este modo no es difícil ver que el álgebra de Banach compleja C0(X) corresponde al conjunto n donde por ejemplo, la multiplicación es

(x1,x2,,xn)(y1,y2,,yn)=(x1y1,x2y2,,xnyn) con x1,y1,x2,y2,xn,yn,

y el elemento unidad es (1,1,,1). Observe también que la norma del supremo se vuelve en la norma del máximo max usualmente utilizada en n.

El caso n=1 resulta en las operaciones usuales de en donde la norma del supremo se vuelve en el valor absoluto usual de los números complejos.

n puede construirse de una manera análoga como un álgebra de Banach real.

Álgebra C(X)

Con las mismas operaciones y norma expuestas para C0(X) es posible generalizar este espacio en el siguiente

C(X):={f:X,f es continua y acotada }

en donde podemos notar que para el caso en que X sea compacto se tiene C(X)=C0(X). Observe que independiente de la topología de X, el espacio C(X) tendrá unidad (la función constante igual a 1).

Observe que C(X) puede ser bastante más grande que C0(X), no sólo posee el elemento neutro en cualquier caso, podemos encontrar en él a las funciones periódicas (de cualquier período), casi periódicas entre otras más. De hecho, si βX es la compactificación de Stone–Čech de X, entonces tenemos que C(X) y C(βX) resultan ser isomorfos como álgebras de Banach.

Álgebra de operadores continuos

Sea un espacio de Banach y al espacio

𝔹():={L:,L es lineal y continuo },

conocido también como el espacio de operadores acotados de . Observe que la aplicación identidad Id: pertenece a 𝔹() (Id(h)=h para todo h). Las operaciones algebraicas de 𝔹() son las usuales (L,M𝔹() y λ)

  • Ponderación: λL: donde (λL)(h)=λL(h) para todo h.
  • Suma: L+M: donde (L+M)(h)=L(h)+M(h) para todo h.
  • Multiplicación: LM: donde (LM)(h)=L(M(h)) para todo h.

La norma operatoria de un elemento L𝔹() viene dada por

L:=sup{L(h),h1}

donde corresponde a la norma del espacio de Banach .

Con esta estructura tenemos que 𝔹() es un álgebra de Banach compleja.

Matrices reales y complejas

Si consideramos al espacio de Banach como el espacio n entonces no resulta difícil ver que el álgebra de Banach 𝔹() se vuelve en el conocido n,n(), esto es, el espacio de las matrices de tamaño n×n con coeficientes complejos.

Observe que en este caso, el subconjunto Inv(𝔹()) viene dado por el espacio de las matrices n×n invertibles.

De un modo análogo podemos determinar que n,n() es un álgebra de Banach real.

*-álgebras de Banach

Plantilla:MainUna *-álgebra de Banach A[3] es un álgebra de Banach sobre el cuerpo de los complejos, en conjunto con una involución *:AA satisfaciendo las propiedades para todo x,yA y λ

  1. Anti-linealidad: (x+λy)*=x*+λy*.
  2. Contravariante: (xy)*=y*x*.
  3. Idempotencia: x**=(x*)*=x.

En otras palabras, una *-álgebra de Banach es un álgebra de Banach sobre que también es una *-álgebra.

Nota: del mismo modo que en un álgebra de Banach, las *-álgebras de Banach no se restringen solamente al cuerpo de los complejos (puede ser extendido a un cuerpo normado completo e involutivo).

Álgebra de convolución L1(G)

Sea G un grupo localmente compacto (de Hausdorff) no necesariamente conmutativo con medida de Haar μ (izquierda), sea fC0(G) (definido anteriormente), definimos el soporte de f como

supp(f):={xG,f(x)0},

de este modo podemos definir el subconjunto de Cc(G) de C0(G) como

Cc(G):={fC0(G), supp(f) es compacto}.

La estructura algebraica de Cc(G) corresponde a la misma de C0(G) con excepción de la multiplicación puntual, para este caso dadas f,gCc(G) definimos la convolución[4] entre f y g como

(fg)(x):=Gf(y)g(y1x)dμ(y) para todo xG.

Finalmente podemos definir la norma L1 dada por

fL1:=G|f(x)|dμ(x) para todo fCc(G).

De este modo definimos el álgebra de Banach L1(G) como la completación de Cc(G) con la norma L1.[5][6]

Álgebra de medidas

Considerando el caso G=𝕕, podemos tomar dos medidas de Borel μ y ν de d y que además son de variación acotada, la convolución de estas medidas[7] está dada por

df(x)d(μν)(x)=ddf(x+y)dμ(x)dν(y), para toda fCc(d).

En particular, para todo conjunto Ad medible, tenemos que

(μν)(A)=d×d1A(x+y)d(μ×ν)(x,y)

y la función 1A:d[0,1] corresponde a la función indicatriz.

De este modo podemos construir el álgebra de medidas.

Contraejemplo

El álgebra de los cuaterniones es un álgebra de Banach real, pero no es un álgebra de Banach compleja por la simple razón de que el centro de los cuaterniones corresponde a los números reales, el cual no puede contener una copia de los números complejos.

Propiedades

Serie de Potencias

Muchas funciones elementales que son definidas por medio de series de potencias pueden existir en un álgebra de Banach.

Ejemplos de esto incluye a la función exponencial

exp(x)=n=0+xnn!=1A+x+xx2+xxx6+ para todo xA

y las funciones trigonométricas, a saber

sin(x)=n=0(1)nx2n+1(2n+1)!=xx33!+x55!x77!+, para todo xA

donde consideramos xn:=xxx (n veces) (y definimos x0:=1A). Es importante notar que la existencia de algunas funciones está ligada a que el álgebra sea unitaria.

Unidad del álgebra

Una propiedad básica de las álgebras de Banach unitarias (de unidad 1A) corresponde a que si xA tal que xA<1 entonces se tiene que 1A+x será invertible (esto es, existe yA tal que (1A+x)y=y(1A+x)=1A). La manera clásica de probar este hecho es utilizando la fórmula de la serie geométrica; esta fórmula sigue funcionando en un álgebra de Banach unitaria, a saber

n=0+(1)nxn=(1A+x)1 , para todo xA tal que xA<1.

Otra propiedad importante de la unidad corresponde a que ésta no puede ser un conmutador, es decir, para todo x,yA se tiene que xyyx1A. Una forma de justificar esto corresponde a que los elementos xy e yx tienen el mismo espectro con excepción (no siempre) del 0.

Teorema del Binomio y elementos conmutativos

Sean x,yA, se dice que x e y conmutan si xy=yx=1A. Los elementos que conmutan entre sí cumplen muchas propiedades como por ejemplo el Teorema del binomio

(x+y)n=k=0n(nk)xnkyk para todo x,yA que conmutan entre sí.

Otro ejemplo ocurre con la función exponencial (definida más arriba para el caso de álgebras de Banach) en donde se tiene que

exp(x+y)=exp(x)exp(y)para todo x,yA que conmutan entre sí.

Otras propiedades

  • Toda álgebra de Banach real que también es un álgebra de división es isomorfa a los números reales, complejos o cuaterniones. Por lo tanto, la única álgebra compleja de división que es compleja corresponde a los números complejos. Este resultado se conoce como el Teorema de Gelfand-Mazur.
  • Toda álgebra de Banach real unitaria sin divisores de cero, y en la cual todo ideal principal es cerrado, es isomorfa a los números reales, complejos o cuaterniones.[8]
  • Toda álgebra de Banach real conmutativa y Noetheriana sin divisores de cero es isomorfa a los números reales o complejos.
  • Toda álgebra de Banach real conmutativa y Noetheriana de dimensión finita.
  • Divisores topológicos de cero en un álgebra de Banach A son permanentemente singulares en cualquier extensión de Banach B de A.

Teoría espectral

Plantilla:MainLas álgebras de Banach unitarias sobre los complejos proveen todo lo necesario para el desarrollo de la teoría espectral. El espectro de un elemento xA está definido como

σ(x):={λ,xλ1A no es invertible en A},

en donde "invertible en A" significa la existencia de un elemento yA tal que xy=yx=1A. Como se restringe a la invertibilidad en A usualmente se escribe a este subconjunto de como σA(x) (por ejemplo si B es un álgebra de Banach que contiene A entonces es claro que σB(x)σA(x)).

El espectro de cualquier elemento x es un subconjunto cerrado de la bola cerrada en de radio xA y centro 0, de modo que es un conjunto compacto. Más aún, el espectro de todo elemento xA es no vacío y satisface la fórmula del radio espectral:

sup{|λ|,λσ(x)}=limn+xn1n.

Dado xA , el cálculo funcional holomorfo nos permite definir f(x)A para cualquier función holomorfa f:O donde O es una vecinadad abierta de σ(x). De hecho, el Teorema de mapeo espectral (no confundir con el Teorema espectral) dice que

σ(f(x))=f(σ(x)).[9]

Cuando el álgebra de Banach A corresponde al álgebra 𝔹(E) de operadores lineales acotados del espacio de Banach E, la noción de espectro en A coincide con el usual de la teoría operatorial.. Para fC(X) con X un espacio compacto de Hausdorff es posible obtener que

σ(f)={f(t),tX}.

Sea A un álgebra de Banach compleja unitaria en la cual todo elemento distinto de cero es invertible (álgebra de división). Para todo xA existe λ tal que xλ1A no es invertible (el espectro nunca es vacío), por lo tanto necesariamente x=λ1A, por lo tanto esta álgebra es naturalmente isomorfa a los números complejos (Teorema de Gelfand-Mazur).

Ideales y caracteres

Sea A un álgebra de Banach conmutativa y unitaria sobre el cuerpo de los complejos .

Como A es entonces un anillo conmutativo con unidad, todo elemento no invertible de A pertenece a algún ideal maximal de A. Dado que un ideal maximal 𝔪 en A es cerrado, A/𝔪 es un álgebra de Banach de división, luego desde el Teorema de Gelfand-Mazur se sigue que hay una biyección entre el conjunto de todos los ideales maximales de A y el conjunto Δ(A) de todos los homomorfismos (de álgebras) distintos de cero de A a . El conjunto Δ(A) se denomina "espacio de estructura" o "espacio de caracteres" de A, y a sus miembros "caracteres" (se pronuncia "kaɾak̚ˈtɛɾ", con acentuación en la e).

Un caracter χ es un funcional lineal en A que es al mismo tiempo multiplicativo, es decir, χ(ab)=χ(a)χ(b) y satisface χ(1A)=1. Cada caracter de A a es automáticamente continuo, ya que el núcleo de un caracter es un ideal maximal, el cual es cerrado. Además, la norma (es decir, la norma del operador) de un caracter es 1. Equipado con la topología de convergencia puntual en A (es decir, la topología inducida por la topología débil-* de A*), el espacio de caracteres Δ(A), es un espacio compacto de Hausdorff.

Dado xA, definimos la representación de Gelfand de x como la función continua x^:Δ(A) dada por x^(χ)=χ(x), además satisface la fórmula

σ(x)=σ(x^).

Observemos también que x^C(Δ(A)) (funciones continuas a valores complejos en el espacio compacto Δ(A)) . De una forma más explícita

σ(x^)={χ(x):χΔ(A)}.

Como álgebra, un álgebra de Banach conmutativa unitaria es semisimple (es decir, su radical de Jacobson es cero) si y solo si su representación de Gelfand tiene un núcleo trivial. Un ejemplo importante de este tipo de álgebra son las C*-álgebras. De hecho, cuando A es un C*-álgebra unitaria conmutativa, la representación de Gelfand es entonces un *-isomorfismo isométrico entre A y C(Δ(A)).

Véase también

Referencias

Plantilla:Listaref

Bibliografía

  • Rudin, W. Análisis funcional. 1979. Editorial Reverté S.A., impreso en España. ISBN 84-291-5115-X.
  • Merklen, Héctor A.: Estructuras algebraicas VII [Estructuras de álgebras] (1983), publicación de la Organización de los Estados Americanos, Washington D.F.
  • Nachbin, Leopoldo: Introduçāo à análise funcional: Espaços de Banach e cálculo difrencial (1976) publicación de Estados Americanos, Washington D.F.

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