1 単位化
定義 1.1. C* 環Aに対して、集合としてA+:=A⊕Cとし、演算を
(a,λ)(b,μ):=(ab+λb+μa, λμ),(a,λ)∗:=(a∗,λ)(a,b∈A, λ,μ∈C)で定める。Aを通常の演算のままa↦(a,0)によってA+の部分集合とみなす。(0,1)を、以下では単に1と書く。Aが単位元をもたない場合、このA+をAの単位化 (unitization) という。
命題 1.3.Aを C* 環とする。定義 1.1の演算について、A+は結合的な単位的複素多元環であり、1=(0,1)がその単位元である。対合(a,λ)↦(a,λ)∗は共役線形かつ対合的であり、((a,λ)(b,μ))∗=(b,μ)∗(a,λ)∗を満たす。
証明. 和とスカラー倍はA⊕Cの直和としての演算であり、分配律はAの分配律から成分ごとに従う。結合律を確かめる。(a,λ),(b,μ),(c,ν)∈A+に対して、両辺の第一成分を展開すると
((a,λ)(b,μ))(c,ν)=(ab+λb+μa,λμ)(c,ν)=(abc+λbc+μac+λμc+νab+νλb+νμa, λμν),(a,λ)((b,μ)(c,ν))=(a,λ)(bc+μc+νb,μν)=(abc+μac+νab+λbc+λμc+λνb+μνa, λμν)であり、Aの加法の可換性から両辺の第一成分は一致する。第二成分はいずれもλμνである。よって結合律が成り立つ。
1=(0,1)が単位元であることは
(a,λ)(0,1)=(a⋅0+λ⋅0+1⋅a, λ⋅1)=(a,λ),(0,1)(a,λ)=(0⋅a+1⋅a+λ⋅0, 1⋅λ)=(a,λ)から従う。
対合の共役線形性は成分ごとの共役線形性から従う。対合性は(a,λ)∗∗=(a∗∗,λ)=(a,λ)から従う。反乗法性は
((a,λ)(b,μ))∗=(ab+λb+μa,λμ)∗=((ab)∗+λb∗+μa∗, λμ)であり、Aの対合の反乗法性(ab)∗=b∗a∗(§E12.15 定義 1.1)を用いると、これは
=(b∗a∗+μa∗+λb∗, μλ)=(b∗,μ)(a∗,λ)=(b,μ)∗(a,λ)∗に等しい。▨
命題 1.4.Aを C* 環とする。a↦(a,0)によるAの像はA+の両側イデアルであり、写像π:A+→C、π(a,λ):=λは全射な代数準同型であって、その核はちょうどこの像である。したがってA+/A≅Cである。
証明.(a,0)∈A×{0}、(b,μ)∈A+とする。
(a,0)(b,μ)=(ab+μa, 0),(b,μ)(a,0)=(ba+μa, 0)はいずれもA×{0}に属する。よってA×{0}は両側イデアルである。
πは明らかに全射な線形写像である。乗法性はπ((a,λ)(b,μ))=λμ=π(a,λ)π(b,μ)から従う。π(a,λ)=0であることはλ=0であること、すなわち(a,λ)∈A×{0}であることと同値なので、πの核はA×{0}に等しい。πは代数として全射かつ核がA×{0}である準同型であるから、(a,λ)+A↦π(a,λ)=λはA+/AからCへの代数としての同型を与える。▨
2 C* ノルムの一意性
補題 2.1.Aを C* 環とし、e∈Aが任意のb∈Aに対してeb=bを満たすとする。このときe=e∗であり、eはAの単位元である。
証明.eb=bでbをb∗に取り替えて両辺の対合をとると(eb∗)∗=(b∗)∗、すなわちbe∗=b(任意のb∈A)を得る。とくにb=eに対してee∗=e、b=e∗に対してee∗=e∗であるからe=e∗である。したがってeは左恒等元eb=bと右恒等元be∗=be=bを同時に満たし、Aの単位元である。▨
定理 2.2.Aを単位元をもたない C* 環とする。A+上に、A上のノルムを延長しA+を C* 環にするノルムが、ちょうど一つ存在する。
証明. 存在.x=(a,λ)∈A+とb∈Aに対してLx(b):=ab+λbとおく。LxはA上の線形写像であり、∥Lx(b)∥≤(∥a∥+∣λ∣)∥b∥なので有界である。x↦LxはA+の加法とスカラー倍を保つ。x=(a,λ)、y=(b,μ)∈A+、c∈Aに対して
Lxy(c)=(ab+λb+μa)c+λμc=a(bc+μc)+λ(bc+μc)=Lx(Ly(c))なのでLxy=LxLyであり、L1はAの恒等作用素Iに等しい。
Lは単射である。Lx=0、x=(a,λ)とする。b=a∗を代入するとaa∗+λa∗=0である。
λ=0の場合、aa∗=0であり、§E12.15 補題 1.4と§E12.15 定義 1.2の C* 恒等式から∥a∥2=∥a∗∥2=∥(a∗)∗a∗∥=∥aa∗∥=0なのでa=0である。
λ=0の場合、Lx=0から任意のb∈Aに対してab+λb=0であり、e:=−a/λはeb=bを満たす。補題 2.1によりeはAの単位元であり、これはAが単位元をもたないという仮定に反する。したがってλ=0に帰着し、a=0を得る。以上によりLは単射である。
∥x∥:=∥Lx∥(右辺はB(A)の作用素ノルム)とおく。Lの線形性と単射性から∥⋅∥はA+上のノルムである。Lxy=LxLyと作用素ノルムの劣乗法性(§E12.2 命題 2.2)から∥xy∥≤∥x∥∥y∥である。零環{0}は0を単位元にもつので、Aが単位元をもたないことからA={0}であり、§E12.2 命題 1.2により∥1∥=∥L1∥=∥I∥=sup∥b∥≤1∥b∥=1である。したがってA+は単位的である。
a∈Aに対して∥La∥≤∥a∥は上の評価から従う。a=0のときb=a∗/∥a∥とおくと∥b∥=1であり
∥La(b)∥=∥a∥∥aa∗∥=∥a∥∥a∥2=∥a∥(§E12.15 定義 1.2、§E12.15 補題 1.4)なので∥La∥≥∥a∥である。よって∥(a,0)∥=∥a∥であり、∥⋅∥はA上のノルムを延長する。
C* 恒等式を示す。x∈A+、b∈A、∥b∥≤1とする。命題 1.4によりxb∈Aであるから、§E12.15 定義 1.2の C* 恒等式により
∥xb∥2=∥(xb)∗(xb)∥=∥b∗(x∗x)b∥≤∥b∗∥∥(x∗x)b∥≤∥(x∗x)b∥≤∥Lx∗x∥.bについて上限をとると∥x∥2≤∥Lx∗x∥=∥x∗x∥を得る。
逆に、b∈A、∥b∥≤1に対して∥(x∗x)b∥=∥x∗(xb)∥≤∥Lx∗∥∥xb∥≤∥Lx∗∥∥Lx∥∥b∥≤∥x∗∥∥x∥であるから、∥x∗x∥≤∥x∗∥∥x∥である。x=0のとき、先の不等式∥x∥2≤∥x∗x∥と合わせて∥x∥2≤∥x∗∥∥x∥を得るので∥x∥≤∥x∗∥である。この不等式をx∗に適用すると∥x∗∥≤∥x∗∗∥=∥x∥を得るので∥x∥=∥x∗∥(x=0のときも自明に成り立つ)。これを∥x∗x∥≤∥x∗∥∥x∥に代入すると∥x∗x∥≤∥x∥2を得る。先の不等式と合わせて∥x∗x∥=∥x∥2である。
完備性を示す。Aは Banach 空間であるから§E12.2 定理 2.1によりB(A)は Banach 空間であり、a↦LaはAからの等長写像であるから、Aの完備性により像L(A)={La:a∈A}はB(A)の完備な線形部分空間であり、§E12.1 命題 1.4 (2)によりB(A)で閉じている。I∈L(A)と仮定すると、あるa∈AがLa=Iを満たし、任意のb∈Aに対してab=bとなる。補題 2.1によりaはAの単位元になり、矛盾する。よってI∈/L(A)である。
L(A+)=L(A)+CIがB(A)で閉じていることを示す。Tn=Lan+cnI→T(an∈A、cn∈C、B(A)の作用素ノルムで収束)とする。(cn)が有界であることを示す。有界でなければ、部分列を取って∣cn∣→∞としてよい。(Tn)は収束するので有界であり、Tn/cn→0である。Tn/cn=Lan/cn+IであるからLan/cn→−Iとなり、L(A)が閉であることから−I∈L(A)、したがってI∈L(A)となって矛盾する。よって(cn)は有界であり、有界な複素数列は収束する部分列をもつので、ある部分列がcnk→c∈Cを満たす。このときLank=Tnk−cnkI→T−cIであり、L(A)が閉であることからT−cI=Laを満たすa∈Aが存在する。したがってT=La+cI∈L(A+)である。
以上によりL(A+)はB(A)の閉部分空間であり、§E12.2 定理 2.1によるB(A)の完備性と§E12.1 命題 1.4 (1)からL(A+)も完備である。L:A+→L(A+)は全単射であり、∥x∥の定義から等長であるから、(A+,∥⋅∥)は完備である。以上により∥⋅∥はA上のノルムを延長するA+上の C* ノルムである。
一意性.A+は命題 1.3により単位元をもつ複素 *-多元環であるから、§E12.15 系 3.2によりA+を C* 環にするノルムは高々一つである。上で構成した∥⋅∥はこの条件を満たし、A上のノルムを延長する。▨
補題 2.3.Aを単位元をもたない C* 環とし、A+に定理 2.2のノルムを入れる。このときa↦(a,0)はAからA+への等長な *-準同型(§E12.15 定義 1.5)であり、その像A×{0}はA+の閉部分空間である。
証明.a,b∈Aとλ∈Cに対して、定義 1.1の演算により
(a,0)+λ(b,0)=(a+λb, 0),(a,0)(b,0)=(ab, 0),(a,0)∗=(a∗, 0)であるから、a↦(a,0)は線形かつ乗法的であり、対合を保つ。定理 2.2のノルムはA上のノルムを延長するから∥(a,0)∥=∥a∥であり、この写像は等長である。Aは完備であるから、この等長な像A×{0}はA+の完備な線形部分空間であり、§E12.1 命題 1.4 (2)によりA+で閉じている。▨
3 一点コンパクト化との対応
補題 3.1.Xを非コンパクトな局所コンパクト Hausdorff 空間とし、αXをその一点コンパクト化とする。f∈C0(X)に対してf+:αX→Cをf+∣X:=f、f+(∞):=0で定める。このときf+∈C(αX)であり、∥f+∥∞=∥f∥∞(一様ノルム)である。F∈C(αX)かつF(∞)=0ならば、F=f+を満たすf∈C0(X)がただ一つ存在する。写像f↦f+は線形、乗法的であり、対合を保つ。
証明.Xは§E2.24 命題 2.2 (1)によりαXの開部分空間であり、その部分空間位相はもとの位相に一致するから、f+はXの各点で連続である。
∞における連続性を示す。ε>0とする。§E12.16 定義 1.1によりK:={x∈X:∣f(x)∣≥ε}はXのコンパクト部分集合である。§E2.24 定義 2.1によりU:=αX∖Kは∞を含むαXの開集合であり、x∈U∩Xならばx∈/Kすなわち∣f+(x)∣<εである。f+(∞)=0なのでx∈Uならば∣f+(x)−f+(∞)∣<εである。したがってf+は∞で連続であり、f+∈C(αX)である。
∥f+∥∞=supαX∣f+∣=max(supX∣f∣, ∣f+(∞)∣)=supX∣f∣=∥f∥∞である。
F∈C(αX)、F(∞)=0とする。f:=F∣Xは連続でありf+=Fである。f∈C0(X)を示す。ε>0とする。{y∈αX:∣F(y)∣≥ε}はFによる閉集合{μ∈C:∣μ∣≥ε}の逆像なのでαXの閉集合である。§E2.24 命題 2.2 (3)によりαXはコンパクトであるから、§E2.19 命題 4.1によりこの集合はコンパクトである。F(∞)=0<εなのでこの集合は∞を含まず、Xに含まれる。Xの部分空間位相はαXのそれと一致するので、この集合はXのコンパクト部分集合でもある。これは{x∈X:∣f(x)∣≥ε}に等しいのでf∈C0(X)である。f↦f+が単射であることから一意性が従う。
f,g∈C0(X)、c∈Cに対して、(f+cg)+=f++cg+は両辺をXと∞で比較すれば分かる。乗法については、x∈Xで(fg)+(x)=f(x)g(x)=f+(x)g+(x)、∞で(fg)+(∞)=0=f+(∞)g+(∞)であるから(fg)+=f+g+である。対合については、x∈Xで(f)+(x)=f(x)=f+(x)、∞で(f)+(∞)=0=f+(∞)であるから(f)+=f+である。▨
定理 3.2.Xを非コンパクトな局所コンパクト Hausdorff 空間とし、αXをその一点コンパクト化とする。写像
Φ:C0(X)+⟶C(αX),Φ(f,λ):=f++λ⋅1(1はαX上の定数関数1)は等長な *-同型である。
証明.§E12.16 定義 1.1、§E12.16 定理 1.6、§E12.16 定理 2.1によりC0(X)は可換 C* 環であり、§E12.16 命題 4.1とXの非コンパクト性により単位元をもたないので、定義 1.1によりその単位化C0(X)+が定まる。αXは§E2.24 命題 2.2 (3)によりコンパクト Hausdorff 空間であり、§E2.24 例 5.1 (1)によりコンパクト空間は局所コンパクトである。∞∈αXであるからαX=∅であり、§E12.16 命題 4.1 (1)によりC(αX)=C0(αX)は単位的可換 C* 環である。
Φが線形であることはf↦f+の線形性(補題 3.1)から従う。乗法性は、(f,λ),(g,μ)∈C0(X)+に対して
Φ((f,λ)(g,μ))=Φ(fg+λg+μf,λμ)=(fg)++λg++μf++λμ1=f+g++λg++μf++λμ1=(f++λ1)(g++μ1)=Φ(f,λ)Φ(g,μ)から従う(補題 3.1の乗法性(fg)+=f+g+を用いた)。対合を保つことは、C0(X)の対合が複素共役であることから(f,λ)∗=(f,λ)であり、
Φ((f,λ)∗)=(f)++λ1=f++λ1=f++λ1=Φ(f,λ)∗から従う。Φ(0,1)=0++1=1であり、1はC(αX)の単位元である。
単射性を示す。Φ(f,λ)=0とする。∞で評価するとf+(∞)+λ=λ=0であり、Xの各点で評価するとf(x)=0なのでf=0である。
全射性を示す。F∈C(αX)とし、λ:=F(∞)、G:=F−λ1とおくとG(∞)=0である。補題 3.1によりG=f+を満たすf∈C0(X)が一意に存在し、Φ(f,λ)=f++λ1=G+λ1=Fである。
以上によりΦは全単射な単位的 *-代数の準同型である。∥(f,λ)∥′:=∥Φ(f,λ)∥∞とおく。Φが全単射な *-代数の準同型であり∥⋅∥∞がC(αX)の C* ノルムであることから、劣乗法性・完備性・C* 恒等式はΦを通じてそのまま∥⋅∥′へ移り、∥⋅∥′はC0(X)+上の C* ノルムである。λ=0のとき∥(f,0)∥′=∥f+∥∞=∥f∥∞(補題 3.1)であるから、∥⋅∥′はC0(X)上のノルムを延長する。定理 2.2の一意性により∥⋅∥′はC0(X)+上の定理 2.2のノルム∥⋅∥に等しい。したがって、任意の(f,λ)∈C0(X)+に対して
∥Φ(f,λ)∥∞=∥(f,λ)∥′=∥(f,λ)∥であり、Φは等長である。▨
例 3.3 (Rの一点コンパクト化).X=Rに通常の位相を入れ、S1={(x,y)∈R2:x2+y2=1}とする。写像
σ:R⟶S1∖{(0,1)},σ(t):=(1+t22t, t2+1t2−1)は同相写像である。実際、x2+y2=1であることは[2t]2+[t2−1]2=(t2+1)2を確かめれば分かり、(x,y)∈S1∖{(0,1)}(y=1)に対してt=x/(1−y)とおくとσ(t)=(x,y)となることが直接計算で確かめられる。σとその逆写像(x,y)↦x/(1−y)はいずれも分母が零にならない有理式であるから連続であり、σは同相写像である。
§E2.15 定理 3.2と§E2.15 命題 1.5により{1}はRの閉集合であるから、S1は連続写像(x,y)↦x2+y2による{1}の逆像として§E2.12 命題 1.6 (2)によりR2の閉集合であり、x2+y2=1から有界であるので、§E2.9 定理 4.3によりコンパクトである。S1にR2の Euclid 距離を制限すると§E2.1 命題 2.2により距離空間になり、§E2.12 命題 4.8によりその距離が生じる位相は部分空間位相に一致するから、§E2.15 定理 3.2によりS1は Hausdorff かつ T1 である。§E2.15 命題 1.5により{(0,1)}はS1の閉集合であり、S1∖{(0,1)}はS1の開部分空間である。t→∞のときσ(t)→(0,1)であるから(0,1)はS1∖{(0,1)}の閉包に属し、S1∖{(0,1)}はS1で稠密である。よってS1はσ(R)の一点コンパクト化である。Rは§E2.24 例 5.1 (3)により局所コンパクト Hausdorff であり、有界でないから§E2.9 定理 4.3によりコンパクトでない。σは同相写像であるからσ(R)も非コンパクトな局所コンパクト Hausdorff 空間であり、§E2.24 定理 2.7によりα(σ(R))≅S1である。σと∞↦∞が定める全単射αR→α(σ(R))は§E2.24 定義 2.1の開集合の族を互いに移し合うから同相写像であり、これとα(σ(R))≅S1を与える同相写像との合成として同相写像h:αR→S1を得る。
定理 3.2によりC0(R)+はC(αR)へ等長 *-同型である。写像F↦F∘hは、hが同相写像であることからC(S1)からC(αR)への全単射であり、各点ごとの和・スカラー倍・積・複素共役を保ち、hが全単射であることから∥F∘h∥∞=∥F∥∞を満たすので、等長な *-同型である。この逆写像と合成すると、C0(R)+はC(S1)へ等長 *-同型である。
4 縮退の場合
命題 4.1. 次が成り立つ。
- Aが単位元eをもつ C* 環であるとき、A+上の C* ノルムは§E12.15 系 3.2により存在すれば一意であり、実際に存在する。このノルムについてψ(a,λ):=(a+λe,λ)はA+から C* 環の直和A⊕C(座標ごとの演算と対合、ノルム∥(a,λ)∥max:=max(∥a∥,∣λ∣))への等長な *-同型である。
- Xがコンパクト Hausdorff 空間であるとき、§E2.24 定義 2.1と同じ式で定まるαX上の族はやはり位相を定めるが、XはαXで稠密でなく、αXはXの一点コンパクト化ではない。
証明.(1)を示す。ea=a=ae(a∈A)の両辺の対合をとるとa∗e∗=a∗=e∗a∗となるのでe∗もAの単位元であり、単位元の一意性からe=e∗である。
ψ:A+→A×C、ψ(a,λ):=(a+λe,λ)は線形写像であり、ψ(a,λ)=(0,0)ならばλ=0、a=a+λe=0なので単射である。任意の(b,μ)∈A×Cに対してψ(b−μe,μ)=(b,μ)なので全射である。
乗法性を示す。座標ごとの演算を入れたA×Cにおいて、eが単位元であることから(a+λe)(b+μe)=ab+μa+λb+λμeであり
ψ(a,λ)ψ(b,μ)=((a+λe)(b+μe), λμ)=(ab+μa+λb+λμe, λμ).一方
ψ((a,λ)(b,μ))=ψ(ab+λb+μa,λμ)=(ab+λb+μa+λμe, λμ)であり、両者は一致する。対合を保つことは、e=e∗により
ψ((a,λ)∗)=ψ(a∗,λ)=(a∗+λe,λ)=(a∗+λe∗,λ)=((a+λe)∗,λ)=ψ(a,λ)∗から従う。ψ(0,1)=(e,1)はA×Cの単位元(e,1)に等しい。
∥(a,λ)∥maxがA×C上の C* ノルムであることを確かめる。劣乗法性は
∥(a,λ)(b,μ)∥max=max(∥ab∥,∣λμ∣)≤max(∥a∥∥b∥,∣λ∣∣μ∣)≤∥(a,λ)∥max∥(b,μ)∥maxから従う。完備性はAとCがそれぞれ完備であることから従う。C* 恒等式は
∥(a,λ)∗(a,λ)∥max=∥(a∗a, ∣λ∣2)∥max=max(∥a∗a∥,∣λ∣2)=max(∥a∥2,∣λ∣2)=∥(a,λ)∥max2から従う。
ψを通じてA+へ引き戻したノルム∥(a,λ)∥′:=∥ψ(a,λ)∥maxは、ψが全単射な *-代数の同型であることからA+上の C* ノルムである。A+は命題 1.3により単位元をもつ複素 *-多元環であるから、§E12.15 系 3.2によりA+上の C* ノルムは存在すれば一意であり、ψは等長である。
(2)を示す。§E2.24 注意 2.4により、§E2.24 定義 2.1と同じ式はαXの位相を定めるが、X自身がコンパクトなので、K=Xとすれば{∞}=αX∖Xが開集合になる。したがってXはαXで稠密でなく、αXはXの一点コンパクト化にはならない。▨
5 演習
問題 5.1 (劣乗法的だが C* 恒等式を満たさないノルム).A=c0(§E12.16 定義 1.1、X=Z≥0に離散位相を入れた場合のC0(X))とする。∥(a,λ)∥1:=∥a∥∞+∣λ∣((a,λ)∈A+)が劣乗法的なノルムであることを確認し、a=(−2,0,0,…)∈A、x=(a,1)に対して∥x∗x∥1=∥x∥12であることを計算し、∥⋅∥1が C* ノルムでないことを示せ。
解答.
劣乗法性は、(b,μ)∈A+に対して
∥(a,λ)(b,μ)∥1=∥ab+λb+μa∥∞+∣λμ∣≤∥a∥∞∥b∥∞+∣λ∣∥b∥∞+∣μ∣∥a∥∞+∣λ∣∣μ∣=(∥a∥∞+∣λ∣)(∥b∥∞+∣μ∣)から従う。
a=(−2,0,0,…)は実数列なので自己共役であり∥a∥∞=2である。a2=(4,0,0,…)、a2+2a=(4−4,0,0,…)=0である。x=(a,1)とおくとx∗=(a∗,1)=(a,1)=xであり
x∗x=x2=(a,1)(a,1)=(a2+2a, 1)=(0,1).したがって∥x∗x∥1=∥0∥∞+1=1である。一方∥x∥1=∥a∥∞+1=3なので∥x∥12=9である。1=9なので∥x∗x∥1=∥x∥12であり、∥⋅∥1は C* 恒等式を満たさない。▨
問題 5.2 (c0の単位化).X=Z≥0に離散位相を入れる。定理 3.2を用いて、c0+(c0=C0(X)の単位化)が、極限をもつ複素数列全体のなす環に等長 *-同型であることを示せ。
解答.
§E2.24 例 5.3により、αZ≥0=Z≥0∪{∞}は0,1,2,…が∞へ収束する位相をもつ。F∈C(αZ≥0)はαZ≥0上の連続関数であり、これは数列(F(n))n≥0がn→∞でF(∞)へ収束するという条件と同値である。したがってC(αZ≥0)は極限をもつ複素数列全体のなす環と同一視される。定理 3.2によりc0+≅C(αZ≥0)は等長 *-同型である。▨