参考:Chapter 2 of C∗C^*-Algebras and Operator Theory, Gerald J. Murphy.

我们从一些补充的谱分析(spectral analysis)开始。

首先,我们定义一个 unital algebra AA 中的一个 element aa 的谱 (spectrum) 为

σ(a)={λ∈C:λ1−a is not invertible}.\sigma(a)=\{\lambda\in\mathbb{C}: \lambda 1 - a \text{ is not invertible}\}.

相应的,谱半径 (spectral radius) 定义为

ρ(a)=sup⁡{∣λ∣:λ∈σ(a)}.\rho(a)=\sup\{|\lambda|:\lambda\in\sigma(a)\}.

那么首先,spectrum 保持多项式运算:

Theorem: 对于一个 unital algebra AA 中的 element aa,和任意复系数多项式p(z)p(z),如果σ(a)\sigma(a) 不为空,那么

σ(p(a))=p(σ(a))={p(λ):λ∈σ(a)}.\sigma(p(a))=p(\sigma(a))=\{p(\lambda):\lambda\in\sigma(a)\}.

Proof:pp 是 constant 多项式时是显然的。我们假设pp 不是常数多项式,那么对于任意一个复数μ∈C\mu\in\mathbb{C},都存在λ0,λ1,...,λn∈C\lambda_0,\lambda_1,...,\lambda_n\in\mathbb{C} 使得

p(z)−μ=λ0(z−λ1)(z−λ2)...(z−λn),p(z)-\mu=\lambda_0(z-\lambda_1)(z-\lambda_2)...(z-\lambda_n),

其中nn 是pp 的次数。类似地,

p(a)−μ1=λ0(a−λ11)(a−λ21)...(a−λn1).p(a)-\mu 1=\lambda_0(a-\lambda_1 1)(a-\lambda_2 1)...(a-\lambda_n 1).

注意到p(a)−μ1p(a)-\mu 1 可逆当且仅当a−λ11,a−λ21,...,a−λn1a-\lambda_11,a-\lambda_21,...,a-\lambda_n1 都可逆。

换句话说,μ∈σ(p(a))\mu\in \sigma(p(a)) 当且仅当存在一个λi\lambda_i 使得a−λi1a-\lambda_i1 不可逆,即λi∈σ(a)\lambda_i\in\sigma(a)。注意到恒有p(λi)−μ=0p(\lambda_i)-\mu=0,所以μ=p(λi)∈p(σ(a))\mu=p(\lambda_i)\in p(\sigma(a))。

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Theorem: 对于一个 unital Banach algebra AA,如果一个 element a∈Aa\in A 满足∥a∥<1\|a\|<1,那么1−a1-a 可逆且

(1−a)−1=∑n=0∞an.(1-a)^{-1}=\sum_{n=0}^{\infty}a^n.

Proof: 注意到

∑n=0∞∥an∥≤∑n=0∞∥a∥n=11−∥a∥<∞,\sum_{n=0}^\infty \|a^n\|\leq \sum_{n=0}^\infty \|a\|^n=\frac{1}{1-\|a\|}<\infty,

因此∑n=0∞an\sum_{n=0}^\infty a^n 收敛(Banach 空间),不妨设收敛到b∈Ab\in A。此外,对于任意nn,

(1−a)(1+a+a2+...+an)=1−an+1.(1-a)(1+a+a^2+...+a^n)=1-a^{n+1}.

一方面,因为乘法是连续的,所以

lim⁡n→∞(1−a)(1+a+a2+...+an)=(1−a)b.\lim_{n\to\infty}(1-a)(1+a+a^2+...+a^n)=(1-a)b.

另一方面,

lim⁡n→∞∥an∥≤lim⁡n→∞∥a∥n=0,\lim_{n\to\infty}\|a^n\|\leq \lim_{n\to\infty}\|a\|^n=0,

因此

(1−a)(1+a+a2+...+an)=lim⁡n→∞(1−an+1)=1.(1-a)(1+a+a^2+...+a^n)=\lim_{n\to\infty}(1-a^{n+1})=1.

所以b(1−a)=1b(1-a)=1,同理可以证明(1−a)b=1(1-a)b=1。

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接下来我们还会提供几个定理,但证明需要更多额外内容。

Theorem (Gelfrand): 对于一个 unital Banach algebra AA 中的任意 element aa,它的 spectrum σ(a)\sigma(a) 非空。

Theorem (Beurling): 对于一个 unital Banach algebra AA 中的任意 element aa,它的 spectral radius ρ(a)\rho(a) 满足

ρ(a)=lim⁡n→∞∥an∥1/n=inf⁡n≥1∥an∥1/n.\rho(a)=\lim_{n\to\infty}\|a^n\|^{1/n}=\inf_{n\geq 1}\|a^n\|^{1/n}.

Theorem: 令BB 是一个 closed subalgebra of a unital Banach algebra AA 且包含单位元 1,那么

  • Inv(B)Inv(B) 是B∩Inv(A)B\cap Inv(A) 的一个既开又闭集合,其中Inv(B)Inv(B) 表示在BB 中可逆的元素集合。
  • 对于任意b∈Bb\in B,σA(b)⊆σB(b)\sigma_A(b)\subseteq \sigma_B(b),并且∂σB(b)⊆∂σA(b)\partial\sigma_B(b)\subseteq \partial \sigma_A(b)。

接下来进入算子代数部分。

Theorem:对于一个C∗C^*-algebra AA 中的 self-adjoint element aa,它的 spectral radius ρ(a)\rho(a) 等于∥a∥\|a\|。

Proof: 我们知道∥a2∥=∥a∗a∥=∥a∥2\|a^2\|=\|a^*a\|=\|a\|^2,因此∥a2n∥=∥a∥2n\|a^{2^n}\|=\|a\|^{2^n},所以

ρ(a)=lim⁡n→∞∥an∥1/n≥lim⁡n→∞∥a2n∥1/2n=∥a∥.\rho(a)=\lim_{n\to\infty}\|a^n\|^{1/n}\geq \lim_{n\to\infty}\|a^{2^n}\|^{1/2^n}=\|a\|.

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Corollary: 一个∗*-algebra 上至多有一个 norm 使得它成为一个C∗C^*-algebra。

Proof:根据上一个 theorem,如果有一个 norm 成为了C∗C^*-algebra,那么对于任意 element aa,

∥a∥2=∥a∗a∥=ρ(a∗a)=sup⁡λ∈σ(a∗a)∣λ∣.\|a\|^2=\|a^*a\|=\rho(a^*a)=\sup_{\lambda\in\sigma(a^*a)}|\lambda|.

因此不同的 norm 应该有相同的取值。

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Lemma: 令AA 是一个 Banach ∗*-algebra,如果有∥a∥2≤∥a∗a∥\|a\|^2\leq \|a^*a\|,那么AA 是一个C∗C^*-algebra。

Proof: 注意到∥a∥2≤∥a∗a∥≤∥a∥∥a∗∥\|a\|^2\leq \|a^*a\|\leq \|a\|\|a^*\|,因此∥a∥≤∥a∗∥\|a\|\leq \|a^*\|。同理∥a∗∥2≤∥aa∗∥≤∥a∥∥a∗∥\|a^*\|^2\leq \|aa^*\|\leq \|a\|\|a^*\|,所以∥a∥=∥a∗∥\|a\|=\|a^*\|。因此∥a∗a∥=∥a∥2\|a^*a\|=\|a\|^2。
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Theorem: 对于一个C∗C^*-algebra AA 中的任意 element aa,如果aa 是 self-adjoint 的,那么σ(a)⊆R\sigma(a)\subseteq\mathbb{R}。

Proof:对于一个λ∈σ(a)\lambda\in\sigma(a),假设λ=α+iβ\lambda=\alpha+i\beta,我们证明β=0\beta=0。注意到

(a−λ1)∗(a−λ1)=(a−α1)2+β21.(a-\lambda 1)^*(a-\lambda 1)=(a-\alpha 1)^2+\beta^21.

那么根据 spectrum 保持多项式(之前的 theorem),我们有

σ((a−α1)2+β21)=(σ(a)−α)2+β2.\sigma((a-\alpha 1)^2+\beta^21)=(\sigma(a)-\alpha)^2+\beta^2.

如果β≠0\beta\neq 0,那么σ((a−α1)2+β21)>0\sigma((a-\alpha 1)^2+\beta^21)>0,所以(a−λ1)∗(a−λ1)(a-\lambda 1)^*(a-\lambda 1) 可逆(因为 0 不在它的 spectrum 里)。

因此(a−λ1)(a-\lambda 1) 也可逆,这与λ∈σ(a)\lambda\in\sigma(a) 矛盾。因此β=0\beta=0。

补充一下:如果b∗bb^*b 可逆那么bb 也可逆,因为σ(b∗b)={∣λ∣2:λ∈σ(b)}\sigma(b^*b)=\{|\lambda|^2:\lambda\in\sigma(b)\}。
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令BB 是 unital C∗C^*-algebra AA 的一个C∗C^*-subalgebra 且包含单位元 1,那么对于任意b∈Bb\in B,它在BB 中的 spectrum 等于它在AA 中的 spectrum。

Proof:我们证明bb 在BB 中的可逆性等价于在AA 中的可逆性。只有一个方向是 non-trivial 的:即bb 在AA 中可逆,那么bb 在BB 中也可逆。

如果存在a∈Aa\in A 使得ab=ba=1ab=ba=1,那么a∗b∗=b∗a∗=1a^*b^*=b^*a^*=1。

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