56

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ТАВРИЧЕСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. В.И. ВЕРНАДСКОГО

ФАКУЛЬТЕТ МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАТИКИ

КАФЕДРА АЛГЕБРЫ И ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗА

*-АЛГЕБРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Дипломная работа специалиста

СИМФЕРОПОЛЬ

2003

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………………..4

Глава I. Основные понятия и определения…………………………………….6

§ 1. * - алгебры……………………………………………………………………...6

1.1. Определение * - алгебры……………………………………………………….6

1.2. Примеры…………………………………………………………………………7

1.3. Алгебры с единицей…………………………………………………………….7

1.4. Простейшие свойства * - алгебр……………………………………………….9

1.5. Гомоморфизм и изоморфизм алгебр…………………………………………11

§ 2. Представления ……………………………………………………………….13

2.1. Определение и простейшие свойства представлений……………………….13

2.2. Прямая сумма представлений ………………………………………………..15

2.3. Неприводимые представления………………………………………………..16

2.4. Конечномерные представления……………………………………………….19

2.5. Интегрирование и дезинтегрирование представлений ……………………..20

§ 3. Тензорные произведения……………………………………………………26

3.1. Тензорные произведения пространств……………………………………….26

3.2. Тензорные произведения операторов………………………………………..28

Глава II. Задача о двух ортопроекторах………………………………………..31

§ 1. Два ортопроектора в унитарном пространстве…………………………..31

1.1. Постановка задачи……………………………………………………………..31

1.2. Одномерные *-представления *-алгебры P₂ ……………………………….31

1.3. Двумерные *-представления *-алгебры P₂ ……………………………….32

1.4. n-мерные *-представления *-алгебры P₂ …………………………………35

1.5. Спектральная теорема…………………………………………………………37

§ 2. Два ортопроектора в сепарабельном гильбертовом пространстве……39

2.1. Неприводимые *-представления *-алгебры P₂ …………………………...39

2.2. Спектральная теорема…………………………………………………………41

Глава III. Спектр суммы двух ортопроекторов ……………………………...45

§ 1. Спектр суммы двух ортопроекторов в унитарном пространстве……...45

1.1. Спектр ортопроектора в гильбертовом пространстве……………………….45

1.2. Постановка задачи……………………………………………………………..45

1.3. Спектр в одномерном пространстве………………………………………….45

1.4. Спектр в двумерном пространстве……………………………………….…..46

1.5. Спектр в n-мерном пространстве……………………………………………..47

1.6. Линейная комбинация ортопроекторов………………………………………49

§ 2. Спектр суммы двух ортопроекторов в сепарабельном

гильбертовом пространстве …………………………………………………….52

2.1. Спектр оператора А = Р₁ +Р₂ …………………………………………………52

2.2. Спектр линейной комбинации А = аР₁ + bР₂ (0<а<b) ……………………..53

Заключение………………………………………………………………………..55

Литература ………………………………………………………………………..56

ВВЕДЕНИЕ

Пусть Н - гильбертово пространство, L(Н) - множество непрерывных линейных операторов в Н. Рассмотрим подмножество А в L(Н), сохраняющееся при сложении, умножении, умножении на скаляры и сопряжении. Тогда А - операторная *-алгебра. Если дана абстрактная *-алгебра А, то одна из основных задач теории линейных представлений (*-гомоморфизмов А в L(Н)) - перечислить все ее неприводимые представления (с точностью до эквивалентности).

Теория унитарных представлений групп восходит к XIX веку и связана с именами Г.Фробениуса, И.Шура, В.Бернсайда, Ф.Э. Молина и др. В связи с предложениями к квантовой физике теория унитарных представлений топологических групп, групп Ли, С*-алгебр была разработана И.М.Гельфандом, М.А. Наймарком, И.Сигалом, Ж.Диксмье, А.А. Кирилловым и др. в 60-70-х годах XX века. В дальнейшем интенсивно развивается теория представлений *-алгебр, заданных образующими и соотношениями.

Дипломная работа посвящена развитию теории представлений (конечномерных и бесконечномерных) *-алгебр, порожденных двумя проекторами.

Глава I в краткой форме содержит необходимые для дальнейшего сведения из теории представлений и функционального анализа. В §1 дано определение *-алгебры и приведены простейшие свойства этих алгебр. В §2 излагаются основные свойства представлений, вводятся следующие понятия: неприводимость, эквивалентность, прямая сумма, интегрирование и дезинтегрирование представлений. В §3 определяются тензорные произведения пространств, тензорные произведения операторов и др. (см. [2], [3], [4], [8], [9])

В Главе II изучаются представления *-алгебры P₂

P_{2 = С < p1, p2 | p1² = p1* = p1, p2² = p2* = p2 >,}

порожденной двумя самосопряженными идемпотентами, то есть проекторами (см., например, [12]). Найдены все неприводимые *-представления *-алгебры P₂, с точностью до эквивалентности., доказаны соответствующие спектральные теоремы.

В §1 рассматриваются только конечномерные *-представления р в унитарном пространстве Н. Описаны все неприводимые и неэквивалентные *-представления *-алгебры P₂ . Неприводимые *-представления P₂ одномерны и двумерны:

4 одномерных: р_0,0(p₁) = 0, р_0,0(p₂) = 0; р_0,1(p₁) = 0, р_0,1(p₂) = 1;

р_1,0(p₁) = 1, р_1,0(p₂) = 0; р_1,1(p₁) = 1, р_1,1(p₂) = 1.

И двумерные: , ф (0, 1).

Доказана спектральная теорема о разложении пространства Н в ортогональную сумму инвариантных относительно р подпространств Н, а также получено разложение р на неприводимые *-представления. Результаты §1 относятся к математическому фольклору.

В §2 получены основные результаты работы. Для пары проекторов в сепарабельном гильбертовом пространстве Н приведено описание всех неприводимых представлений, доказана спектральная теорема.

В Главе III спектральная теорема для пары проекторов Р_1, Р₂, применяется к изучению сумм Р₁+Р₂, аР₁+bР₂ (0 < a < b). Получены необходимое и достаточное условие на самосопряженный оператор А для того чтобы А = Р₁+Р₂ или А = аР₁+bР₂, 0 < a < b, (этот частный случай задачи Г.Вейля (1912 г.) о спектре суммы пары самосопряженных операторов).

Глава I. Основные понятия и определения

§ 1. - алгебры

1.1. Определение - алгебры.

Определение 1.1. Совокупность А элементов x, y, … называется алгеб-
рой, если:

1) А есть линейное пространство;

2) в А введена операция умножения (вообще некоммутативного), удовлет-
воряющая следующим условиям:

б (x y) = (б x) y,

x (б y) = б (x y),

(x y) z = x (y z),

(x + y) = xz +xy,

x (y + z) = xy + xz для любых x, y, z А и любых чисел б.

Два элемента x, y алгебры А называются перестановочными, если xy = yx. Алгебра А называется коммутативной, если все ее элементы попарно пере-
становочны.

Определение 1.2. Пусть А - алгебра над полем С комплексных чисел. Инволюцией в А называется такое отображение x ? x* алгебры А в А, что

(i) (x*)* = x;

(ii) (x + y)* = x* + y*;

(iii) (б x)* = x*;

(iv) (x y)* = y*x* для любых x, y С.

Алгебра над С, снабженная инволюцией, называется инволютивной алгеброй или *- алгеброй. Элемент х* называют сопряженным к х. Подмножество А, сохраняющееся при инволюции, называется само-
сопряженным.

Из свойства (i) следует, что инволюция в А необходимо является биекцией А на А.

1.2. Примеры

1) На А = С отображение z ? (комплексное число, сопряженное к z) есть инволюция, превращающая С в коммутативную *- алгебру.

2) Пусть Т - локально компактное пространство, А = С(Т) - алгебра непре-
рывных комплексных функций на Т, стремящихся к нулю на бесконечности (то есть для любого е > 0 множество {tT: |f (t)| е} компактно, f (t) А. Снабжая А отображением f? получаем коммутативную *- алгебру. Если Т сводится к одной точке, то возвращаемся к примеру 1).

3) Пусть Н - гильбертово пространство. А = L(H) - алгебра ограниченных линейных операторов в Н. Зададим инволюцию как переход к сопряженному оператору. Тогда А - *- алгебра.

4) Обозначим через К(Н) совокупность всех компактных операторов в гильбертовом пространстве Н; операции сложения, умножения на число и умножения определим как соответствующие действия с операторами. Тогда К(Н) будет *- алгеброй, если ввести инволюцию А?А* (АК(Н)). Алгебра К(Н) в случае бесконечного Н есть алгебра без единицы. Действительно, если единичный оператор I принадлежит К(Н), то он переводит открытый единичный шар S H в себя. Значит I не может быть компактным оператором.

5) Обозначим через W совокупность всех абсолютно сходящихся рядов .

Алгебра W есть *- алгебра, если положить . ()

1.3. Алгебры с единицей

Определение 1.3. Алгебра А называется алгеброй с единицей, если А содержит элемент е, удовлетворяющий условию

ех = хе = х для всех хА (1.1.)

Элемент е называют единицей алгебры А.

Теорема 1.1. Алгебра А не может иметь больше одной единицы.

Доказательство. Действительно, если еґ - также единица в А, то

еґх = хеґ = х, для всех хА (1.2.)

Полагая в (1.1.) х = еґ, а в (1.2.) х = е, получим:

ееґ = еґе = еґ и еґе = ееґ =е, следовательно еґ = е.

Теорема 1.2. Всякую алгебру А без единицы можно рассматривать как подалгебру некоторой алгебры Аґ с единицей.

Доказательство. Искомая алгебра должна содержать все суммы хґ=бе + х, хА; с другой стороны, совокупность всех таких сумм образует алгебру Аґ, в которой основные операции определяются формулами:

в(бе + х) = вбе + вх, (б₁е + х₁) + (б₂е + х₂) = (б₁ + б₂)е + (х₁ + х₂),

(б₁ е + х₁)(б₂ е+ х₂ )=б₁ б₂ е +б₁ х₂ +б₂ х₁ + х₁ х₂ (1.3.)

Каждый элемент хґ из Аґ представляется единственным образом в виде

хґ = бе + х, хА, так как по условию А не содержит единицы. Поэтому Аґ можно реализовать как совокупность всех формальных сумм хґ = бе + х, хА, в которой основные операции определяются формулами (1.3.); сама алгебра А получится при б = 0.

Алгебру Аґ можно также реализовать как совокупность всех пар (б, х), хА, в которой основные операции определяются по формулам:

в (б, х) = (вб, вх), (б₁, х₁) + (б₂, х₂) = (б₁ + б₂, х₁ + х₂),

(б₁, х₁)(б₂, х₂) = (б₁б₂, б₁х₂ + б₂ х₁ + х₁х₂), (1.4.)

аналогично тому, как определяются комплексные числа. Саму алгебру А можно тогда рассматривать как совокупность всех пар (0, х), хА и не делать различия между х и (0, х). Полагая е = (0, х), мы получим:

(б, х) = б(1, 0) + (0, х) = бе + х,

так что вторая реализация алгебры Аґ равносильна первой.

Переход от А к Аґ называется присоединением единицы.

Определение 1.4. Элемент y называется левым обратным элемента х, если xy = e. Элемент z называется правым обратным элемента х, если xz = e.

Если элемент х имеет и левый, и правый обратные, то все левые и правые обратные элемента х совпадают. Действительно, умножая обе части равенства yx = e справа на z, получим

z = (yx)z = y(xz) = ye,

В этом случае говорят, что существует обратный х^-1 элемента х.

1.4. Простейшие свойства - алгебр

Определение 1.5. Элемент х *-алгебры А называется эрмитовым или самосопряженным, если х* = х, нормальным, если хх* = х*х. Идемпотентный эрмитов элемент называется проектором. Элемент алгебры называется идемпотентным, если все его (натуральные) степени совпадают.

Каждый эрмитов элемент нормален. Множество эрмитовых элементов есть вещественное векторное подпространство А. Если х и y эрмитовы, то (xy)*= y*x* = yx; следовательно, xy эрмитов, если x и y перестановочны. Для каждого хА элементы хх* и х*х эрмитовы. Но, вообще говоря, эрмитов элемент не всегда представим в этом виде, как показывает пример 1 из пункта 1.2. Действительно, для любого zC , но если z действительно отрицательное число, то его нельзя представить в виде .

Теорема 1.3. Всякий элемент х *-алгебры А можно представить, и притом единственным образом, в виде х = х₁ +iх₂, где х₁, х₂ - эрмитовы элементы.

Доказательство. Если такое представление имеет место, то х* = х₁ +iх₂, следовательно:

, (1.5.)

Таким образом, это представление единственно. Обратно, элементы х₁, х₂, определенные равенством (1.5.), эрмитовы и х = х₁ +iх₂.

Эти элементы х₁, х₂ называются эрмитовыми компонентами элемента х.

Заметим, что хх* = х₁² + х₂² + i(х₂х₁ - х₁х₂),

хх* = х₁² + х22 - i(х₂х1 - х1х2)

так что х нормален тогда и только тогда, когда х₁ и х₂ перестановочны.

Так как е*е = е* есть эрмитов элемент, то е* = е , то есть единица эрмитов элемент.

Если А - *-алгебра без единицы, а Аґ - алгебра, полученная из А присоединением единицы, то, положив при хА, мы определим инволюцию в Аґ, удовлетворяющую всем требованиям определения 2. Так что Аґ станет *-алгеброй. Говорят, что Аґ есть *-алгебра, полученная из А присоединением единицы.

Теорема 1.4. Если х^-1 существует, то (х*)^-1 также существует и

(х*)^-1 = (х^-1)*

Доказательство. Применяя операцию * к обеим частям соотношения

х^-1х = хх^-1 = е,

получим х*(х^-1)*= (х*)^-1х*=е.

Но это означает, что (х^-1)* есть обратный к х*.

Подалгебра А₁ алгебры А называется *-подалгеброй, если из хА₁ следует, что х*А₁ .

Непустое пересечение *-подалгебр есть также *-подалгебра. В частности, пересечение всех *-поалгебр, содержащих данное множество S А, есть минимальная *-подалгебра, содержащая S.

Коммутативная *-алгебра называется максимальной, если она не содержится ни в какой другой коммутативной *-подалгебре.

Теорема 1.5. Если В - максимальная коммутативная *-подалгебра, содержащая нормальный элемент х , и если х^-1 существует, то х^-1В.

Доказательство. Так как х т х* перестановочны со всеми элементами из В, то этим же свойством обладают х^-1 и (х*)^-1 = (х^-1)*. В силу максимальности В отсюда следует, что х^-1В.

Определение 1.6. Элемент хА - *-алгебры называется унитарным, если хх* = х*х = е, иначе говоря, если х обратим и х = (х*)^-1.

В примере 1 п.1.2. унитарные элементы - комплексные числа с модулем, равным 1.

Унитарные элементы А образуют группу по умножению - унитарную группу А. Действительно, если x и y - унитарные элементы *-алгебры А, то

((хy)*)^-1 = (у*х*)^-1 =(х*)^-1 (y*)^-1 = xy,

поэтому xy унитарен, и так как ((х^-1)*)^-1= ((х*)^-1)^-1 = х^-1, то х^-1 унитарен.

1.5. Гомоморфизм и изоморфизм алгебр

Определение 1.7. Пусть А и В - две *-алгебры. Назовем гомоморфизмом (*-гомоморфизмом) А в В такое отображение f множества А в В, что

f (x + y) = f (x) + f (y),

f (бx) = б f (x),

f (xy) = f (x) f (y),

f (x*) = f (x)*

для любых х,yА, бС. Если отображение f биективно, то f называют изоморфизмом (*-изоморфизмом).

Определение 1.8. Совокупность I элементов алгебры А называется левым идеалом, если:

(i) I ? A;

(ii) Из х, yI следует x + y I;

(iii) Из хI, а бА следует б хI.

Если I = А, то I называют несобственным идеалом.

Аналогично определяется и правый идеал. Идеал, являющийся одновременно и левым, и правым, называется двусторонним.

Всякий идеал автоматически оказывается алгеброй.

Пусть I - двусторонний идеал в алгебре А. Два элемента х, y из А назовем эквивалентными относительно идеала I, если х-yI. Тогда вся алгебра А разбивается на классы эквивалентных между собой элементов. Обозначим через А совокупность всех этих классов. Введем в А₁ операции сложения, умножения на число и умножения, производя эти действия над представителями классов. Так как I - двусторонний идеал, то результат операций не зависит от выбора этих представителей.

Следовательно, А₁ становится алгеброй. Эта алгебра называется фактор-алгеброй алгебры А по идеалу I и обозначается A/I.

*-гомоморфизм алгебр описывается при помощи так называемых самосопряженных двусторонних идеалов.

Определение 1.9. Идеал I (левый, правый или двусторонний) называется самосопряженным, если из хI следует х*I.

Самосопряженный идеал автоматически является двусторонним. Действительно, отображение х > х* переводит левый идеал в правый и правый идеал в левый; если поэтому отображение х > х* переводит I в I, то I есть одновременно и левый и правый идеал.

В фактор-алгебре A/I по самосопряженному двустороннему идеалу I можно определить инволюцию следующим образом. Если х-yI, то х*-y*I. Поэтому при переходе от х к х* каждый класс вычетов х по идеалу I переходит в некоторый другой класс вычетов по I. Все условия из определения 1.2. выполнены; следовательно, A/I есть *-алгебра.

Если х > хґ есть *-гомоморфизм А на Аґ, то полный прообраз I нуля (то есть ядро данного гомоморфизма) есть самосопряженный двусторонний идеал в А. Фактор-алгебра A/I *-изоморфна *-алгебре Аґ.

Обратно, отображение х > [х] каждого элемента хА в содержащий его класс вычетов по I есть *-гомоморфизм алгебра А на A/I.

§ 2. Представления

2.1. Определения и простейшие свойства представлений.

Определение 2.1. Пусть А - *-алгебра, Н - гильбертово пространство. Представлением А в Н называется *-гомоморфизм *-алгебры А в *-алгебру ограниченных линейных операторов L(H).

Иначе говоря, представление *-алгебры А в Н есть такое отображение из А в L(H), что

р (x+y) = р (x) + р (y), р (б x) = б р(x),

р (xy) = р (x) р (y), р (x*) = р (x)*

для любых х, y А и б С.

Размерность гильбертова пространства Н называется размеренностью р и обозначается dimр. Пространство Н называется пространством представления р.

Определение 2.2. Два представления р₁ и р₂ инволютивной алгебры А в Н₁ и Н₂ соответственно, эквивалентны (или унитарно эквивалентны), если существует унитарный оператор U, действующий из гильбертова пространства Н₁ в гильбертово пространство Н₂, переводящий р₁(х) в р₂(х) для любого хА, то есть

U р₁(х) = р₂(х) U для всех х А.

Определение 2.3. Представление р называется циклическим, если в пространстве Н существует вектор f такой, что множество всех векторов р (х)f (для всех хА) плотно в Н. Вектор f называют циклическим (или тотализирующим) для представления р.

Определение 2.4. Подпространство Н₁Н называется инвариантным, относительно представления р, если р (А)Н₁Н₁.

Если Н₁ инвариантное подпространство, то все операторы р(х) (хА) можно рассматривать как операторы Н₁. Сужения р(х) на Н₁ определяют подпредставления р₁ *-алгебры А в Н₁.

Теорема 2.1. Если Н₁ инвариантное подпространство Н, то его ортогональное дополнение также инвариантно.

Доказательство. Пусть f ортогонален к Н₁, то есть (f, g) = 0 для всех gН₁. Тогда для любого хА (р(х)f, g) = (f, р(х)*g) = (f, р(х*)g) = 0, так как р(х*)gН₁. Следовательно, вектор р(х)f также ортогонален к Н₁.

Обозначим через Р₁ оператор проектирования в Н на подпространство Н₁Н₁.

Теорема 2.2. Н₁ - инвариантное подпространство тогда и только тогда, когда все операторы представления перестановочны с оператором проектирования Р₁ на Н₁.

Доказательство. Пусть Н₁ - инвариантное подпространство и fН₁, но также р(х)f Н₁. Отсюда для любого вектора fН

р(х)Р₁f Н₁

следовательно, Р₁р(х)Р₁f = р(х)Р₁f ,

то есть Р₁р(х)Р₁ = р(х)Р₁.

Применяя операцию инволюции к обеим частям этого равенства и подставляя затем х* вместо х, получаем, что также

Р₁р(х)Р₁ = Р₁р(х).

Следовательно, Р₁р(х) = р(х)Р₁; операторы Р₁ и р(х) коммутируют.

Обратно, если эти операторы перестановочны, то для fН₁

Р₁р(х)f = р(х)Р₁f = р(х)f ;

Следовательно, также р(х)f Н₁. Это означает, что Н₁ - инвариантное подпространство.

Теорема 2.3. Замкнутая линейная оболочка К инвариантных подпрост-
ранств есть также инвариантное подпространство.

Доказательство. Всякий элемент g из К есть предел конечных сумм вида

h = f₁ + … + f_n, где f₁, …, f_n - векторы исходных подпространств. С другой стороны, р(х)h = р(х)f₁ +…+ р(х)f_n есть сумма того же вида и имеет своим пределом р(х)g.

2.2. Прямая сумма представлений. Пусть I - произвольное множество. Пусть (р_i)_iI - семейство представлений *-алгебры А в гильбертовом пространстве Н_{i (iI). Пусть}

|| р_i (х) || = с_х

где с_х - положительная константа, не зависящая от i.

Обозначим через Н прямую сумму пространств Н_{i, то есть Н = Нi. В силу (2.1.) можно образовать непрерывный линейный оператор р(х) в Н, который индуцирует рi (х) в каждом Нi. Тогда отображение х > р(х) есть представление А в Н, называемое прямой суммой представлений рi и обозначаемое рi или р1…..рn в случае конечного семейства представлений (р1…..рn). Если (рi)iI - семейство представлений *-алгебры А, совпадающих с представлением р, и если CardI = c, то представления рi обозначается через ср. Всякое представление, эквивалентное представлению этого типа, называется кратным р.}

Для доказательства следующего понадобится лемма Цорна. Напомним ее.

Лемма Цорна. Если в частично упорядоченном подмножестве Х всякое линейно упорядоченное подмножество имеет в Х верхнюю грань, то Х содержит максимальный элемент.

Теорема 2.4. Всякое представление есть прямая сумма цикличных представлений.

Доказательство. Пусть f₀ ? 0 - какой-либо вектор из Н. Рассмотрим совокупность всех векторов р(х)f₀, где х пробегает всю *-алгебру А. Замыкание этой совокупности обозначим через Н₁. Тогда Н₁ - инвариантное подпространство, в котором f₀ есть циклический вектор. Другими словами, Н₁ есть циклическое подпространство представления р.

Если Н₁ = H, то предложение доказано; в противном случае H-Н₁ есть отличное от {0} инвариантное подпространство. Применяя к нему тот же прием, мы выделим циклическое подпространство Н₂ ортогональное Н₁.

Обозначим через М совокупность всех систем {Н_б}, состоящих из взаимно ортогональных циклических подпространств представления; одной из таких систем является построенная выше система {Н₁, Н₂}. Упорядоченная при помощи соотношения включения совокупность М образует частично упорядоченное множество, удовлетворяющее условиям леммы Цорна; именно, верхней гранью линейно упорядоченного множества систем {Н_б}М будет объединение этих систем. Поэтому в М существует максимальная система {Н_б}. Но тогда Н=Н_б; в противном случае в инвариантном подпространстве Н-(Н_б) существовало бы отличное от {0} циклическое подпространство Н₀ и мы получили бы систему {Н_б}Н₀М, содержащую максимальную систему {Н_б}, что невозможно.

2.3. Неприводимые представления.

Определение 2.5. Представление называется неприводимым, если в пространстве Н не существует инвариантного подпространства, отличного от {0} и всего Н.

Согласно теореме 2.2. это означает, что всякий оператор проектирования, перестановочный со всеми операторами представления, равен 0 или 1.

Всякое представление в одномерном пространстве неприводимо.

Теорема 2.5. Представление р в пространстве Н неприводимо тогда и только тогда, когда всякий отличный от нуля вектор пространства Н есть циклический вектор этого представления.

Доказательство. Пусть представление р неприводимо. При fН, f ? 0, подпространство, натянутое на векторы р(х)f , хА, есть инвариантное подпространство; в силу неприводимости представления оно совпадает с {0} или Н. Но первый случай невозможен, ибо тогда одномерное пространство

{б f | б C} инвариантно и потому совпадает с Н, то есть р(х)=0 в Н. Во втором же случае f есть циклический вектор.

Обратно, если представление р приводимо и К - отличное от {0} и Н инвариантное подпространство в Н, то никакой вектор f из К не будет циклическим для представления р в Н.

Теорема 2.6. (И.Шур) Представление р неприводимо тогда и только тогда, когда коммутант р (А) в L(H) сводится к скалярам (то есть операторам кратным единичному).

Доказательство. Пусть представление р неприводимо и пусть ограни-
ченный оператор В перестановочен со всеми операторами р(х). Предположим сначала, что В - эрмитов оператор; обозначим через E(л) спектральные проекторы оператора В. Тогда при любом л оператор E(л) перестановочен со всеми операторами р(х) ; в виду неприводимости представления E(л) =0 или E(л) =1, так как (E(л) f, f) не убывает при возрастании л, то отсюда следует, что существует л₀ такое, что E(л) =0 при л<л₀ и E(л) =1 при л>л₀ . Отсюда

В=л dE(л) = л₀ 1.

Пусть теперь В - произвольный ограниченный оператор, переста-
новочный со всеми операторами р(х). Тогда В* также перестановочен со всеми операторами р(х). Действительно,

В*р(х) = (р(х*)В)* = (Вр(х*))* = р(х)В*

Поэтому эрмитовы операторы В₁=, В₂= также перестановочны со всеми операторами р(х) и, следовательно, кратны единице. Но тогда и оператор В = В₁+iВ₂ кратен единице, то есть В - скаляр.

Обратно, пусть всякий ограниченный оператор, перестановочный со всеми операторами р(х), кратен единице. Тогда, в частности, всякий оператор проектирования, перестановочный со всеми операторами р(х) кратен единице. Но оператор проектирования может быть кратным единице только тогда, когда он равен 0 или 1. Следовательно, представление неприводимо.

Определение 2.6 Всякий линейный оператор Т : Н ? Нґ такой, что Тр(х)=рґ(х)Т для любого хА, называется оператором сплетающим р и рґ.

Пусть Т : Н ? Нґ - оператор, сплетающий р и рґ. Тогда Т* : Нґ ? Н является оператором, сплетающим рґ и р, так как

Т* рґ(х) = (рґ(х)Т)* = (Тр(х*))* = р(х)Т*

Отсюда получаем, что

Т* Тр(х)=Т* рґ(х)Т= р(х)Т*Т (2.1.)

Поэтому |T| = (T*T)^1/2 перестановочен с р(А). Пусть Т = U|T| - полярное разложение Т. Тогда для любого хА

Uр(х)|T| = U|T| р(х)= Тр(х)= рґ(х)Т=рґ(х)U|T| (2.2.)

Если KerT={0}, то |T| (Н) всюду плотно в Н и из (2.2.) следует

Uр(х) = рґ(х)U (2.3.)

Если, кроме того, = Нґ, то есть если KerT*={0}, то U является изоморфизмом Н и Нґ и (2.3.) доказывает что р и рґ эквивалентны.

Пусть р и рґ - неприводимые представления *-алгебры А в гильбертовых пространствах Н и Нґ соответственно. Допустим, что существует ненулевой сплетающий оператор Т : Н ? Нґ. Тогда из (2.1.) и теоремы 2.6. следует, что Т*Т и ТТ* - скалярны (?0) и р, рґ эквивалентны.

2.4. Конечномерные представления.

Теорема 2.7. Пусть р - конечномерное представление *-алгебры А. Тогда р = р₁…..р_n , где р_i неприводимы.

Доказательство. Если dimр = 0 (n=0), то все доказано. Предположим, что dimр = q и что наше предложение доказано при dimр<q. Если р неприводимо, то предложение снова доказано. В противном случае р = рґ рґґ, причем dimрґ<q, dimрґґ<q, и достаточно применить предположение индукции.

Разложение р = р₁…..р_n не единственно. Тем не менее, мы получим некоторую теорему единственности.

Пусть с₁, с₂ - два неприводимых подпредставления р. Им отвечают инвариантные подпространства Н₁ и Н₂. Пусть Р₁ и Р₂ - проекторы Н на Н₁ и Н₂. Они коммутируют с р(А). Поэтому ограничение Р₂ на Н₁ есть оператор, сплетающий с₁ и с₂. Следовательно, если Н₁ и Н₂ не ортогональны, то из пункта 2.3. следует, что с₁ и с₂ эквивалентны. Это доказывает, что любое неприводимое подпредставление р эквивалентно одному из р_i . Итак, перегруп-
пировав р_i , получаем, что р = н₁…..н_m, где каждое н_i есть кратное с_iн_iґ неприводимого представления н_iґ, и н_iґ попарно эквивалентны. Если с - неприводимое представление р, то предыдущее рассуждение показывает, что соответствующее инвариантное подпространство Нґ ортогонально всем инвариантным подпространствам Н_i, отвечающих н_i, кроме одного. Поэтому Нґ содержится в одном из Н_i. Это доказывает, что каждое пространство Н_i определяется однозначно: Н_i - это подпространство Н, порожденное пространствами подпредставлений р, эквивалентных н_iґ. Таким образом, доказано предложение.

Теорема 2.8. В разложении р = с₁н₁ґ…..с_mн_mґ представления р, (где н₁ґ,…, н_mґ неприводимы и неэквивалентны) целые числа с_i и классы представлений н_iґ определяются единственным образом, как и пространства представлений.

2.5. Интегрирование и дезинтегрирование представлений. Напомним определение борелевского пространства.

Определение 2.7. Борелевским пространством называется множество Т, снабженное множеством В подмножеств Т, обладающим следующими свойствами: ТВ, ШВ, В инвариантно относительно счетного объединения, счетного пересечения и перехода к дополнению.

Определение 2.8. Пусть Т₁, Т₂ - борелевские пространства. Отображение f: Т₁?Т₂ называется борелевским, если полный прообраз относительно f любого множества в Т₂ есть борелевское множество в Т₁.

Дадим несколько вспомогательных определений и утверждений.

Пусть Т - борелевское пространство и м - положительная мера на Т.

Определение 2.9. м - измеримое поле гильбертовых пространств на Т есть пара е = ((H(t))_tT, Г), где (H(t))_tT - семейство гильбертовых пространств, индексы которых пробегают Т, а Г - множество векторных полей, удовлетворяющее следующим условиям:

(i) Г - векторное подпространство Н(t);

(ii) существует последовательность (х₁, х₂,…) элементов Г таких, что для любого tT элементы х_n(t) образуют последовательность H(t);

(iii) для любого хГ функция t?||x(t)|| м - измерима;

(iv) пусть х - векторное поле; если для любого yГ функция t?(x(t), y(t)) м - измерима, то хГ.

Пусть е = ((H(t))_tT, Г) м - измеримое поле гильбертовых пространств на Т. Векторное поле х называется полем с интегрируемым квадратом, если хГ и ||x(t)||² dм(t) < +8.

Если х, y - с интегрируем ...........