stringtranslate.com

Rastro singular

En matemáticas, una traza singular es una traza en un espacio de operadores lineales de un espacio de Hilbert separable que se anula en operadores de rango finito . Las trazas singulares son una característica de los espacios de Hilbert de dimensión infinita, como el espacio de secuencias sumables al cuadrado y los espacios de funciones integrables al cuadrado . Los operadores lineales en un espacio de Hilbert de dimensión finita solo tienen el cero funcional como traza singular, ya que todos los operadores tienen rango finito. Por ejemplo, las álgebras matriciales no tienen trazas singulares no triviales y la traza matricial es la única traza hasta el escalamiento.

El matemático estadounidense Gary Weiss y, más tarde, el matemático británico Nigel Kalton observaron en el caso de dimensión infinita que hay trazas singulares no triviales en el ideal de los operadores de clase traza . [1] [2] Por lo tanto, a diferencia del caso de dimensión finita, en dimensiones infinitas la traza del operador canónico no es la única traza hasta el escalamiento. La traza del operador es la extensión continua de la traza matricial desde los operadores de rango finito a todos los operadores de clase traza, y el término singular deriva del hecho de que una traza singular se desvanece donde la traza matricial es apoyada, análogo a una medida singular que se desvanece donde la medida de Lebesgue es apoyada.

Las trazas singulares miden el comportamiento espectral asintótico de los operadores y han encontrado aplicaciones en la geometría no conmutativa del matemático francés Alain Connes . [3] [4] En términos heurísticos, una traza singular corresponde a una forma de sumar números a 1 , a 2 , a 3 , ... que es completamente ortogonal o 'singular' con respecto a la suma habitual a 1 + a 2 + a 3 + ... . Esto permite a los matemáticos sumar secuencias como la secuencia armónica (y operadores con comportamiento espectral similar) que son divergentes para la suma habitual . En términos similares, se puede construir una teoría de la medida (no conmutativa) o teoría de la probabilidad para distribuciones como la distribución de Cauchy (y operadores con comportamiento espectral similar) que no tienen expectativa finita en el sentido habitual.

Origen

En 1950, el matemático francés Jacques Dixmier , fundador de la teoría semifinita de las álgebras de von Neumann , [5] pensó que una traza en los operadores acotados de un espacio de Hilbert separable sería automáticamente normal [ aclaración necesaria ] hasta algunos contraejemplos triviales. [6] : 217  A lo largo de 15 años, Dixmier, ayudado por una sugerencia de Nachman Aronszajn y desigualdades probadas por Joseph Hersch, desarrolló un ejemplo de una traza no trivial pero no normal [ aclaración necesaria ] en operadores de clase traza débil , [7] refutando su punto de vista anterior. Las trazas singulares basadas en la construcción de Dixmier se denominan trazas de Dixmier .

De forma independiente y por diferentes métodos, el matemático alemán Albrecht Pietsch (de) investigó las trazas en los ideales de los operadores en los espacios de Banach. [8] En 1987, Nigel Kalton respondió a una pregunta de Pietsch mostrando que la traza del operador no es la única traza en los subideales propios cuasi-normados de los operadores de la clase traza en un espacio de Hilbert. [9] József Varga estudió de forma independiente una cuestión similar. [10] Para resolver la cuestión de la unicidad de la traza en el ideal completo de los operadores de la clase traza, Kalton desarrolló una condición espectral para el subespacio conmutador de los operadores de la clase traza siguiendo los resultados de Gary Weiss. [1] Una consecuencia de los resultados de Weiss y la condición espectral de Kalton fue la existencia de trazas singulares no triviales en los operadores de la clase traza. [2] [6] : 185 

También de forma independiente, y desde una dirección diferente, Mariusz Wodzicki investigó el residuo no conmutativo , una traza en operadores pseudo-diferenciales clásicos en una variedad compacta que se desvanece en operadores pseudo-diferenciales de clase traza de orden menor que el negativo de la dimensión de la variedad. [11]

Definición

Una traza φ en un ideal bilateral J de los operadores lineales acotados B ( H ) en un espacio de Hilbert separable H es una funcional lineal φ: J → tal que φ( AB ) = φ( BA ) para todos los operadores A de J y B de B ( H ). Es decir, una traza es una funcional lineal en J que se desvanece en el subespacio conmutador Com( J ) de J .

Una traza φ es singular si φ ( A ) = 0 para cada A del subideal de operadores de rango finito F ( H ) dentro de J .

Existencia y caracterización

Las trazas singulares se caracterizan por la correspondencia espectral de Calkin entre ideales bilaterales de operadores acotados en el espacio de Hilbert y espacios de secuencias invariantes de reordenamiento. Utilizando la caracterización espectral del subespacio conmutador debido a Ken Dykema, Tadeusz Figiel, Gary Weiss y Mariusz Wodzicki, [12] para cada traza φ en un ideal bilateral J existe un funcional simétrico único f en el espacio de secuencias de Calkin correspondiente j tal que

para cada operador positivo A perteneciente a J . [6] Aquí μ: J +j + es la función de un operador positivo a sus valores singulares . Una traza singular φ corresponde a una función simétrica f en el espacio de secuencias j que se desvanece en c 00 , las secuencias con un número finito de términos distintos de cero.

La caracterización es paralela a la construcción de la traza del operador habitual donde

para A un operador de clase de traza positivo. Los operadores de clase de traza y el espacio de secuencias de secuencias sumables están en correspondencia de Calkin. (La suma Σ es una función simétrica en el espacio de secuencias sumables).

Existencia

Existe una traza no nula φ en un ideal bilateral J de operadores en un espacio de Hilbert separable si la codimensión de su subespacio conmutador no es cero. Hay ideales que admiten infinitas trazas singulares no nulas linealmente independientes. Por ejemplo, el subespacio conmutador del ideal de operadores de la clase traza débil contiene el ideal de operadores de la clase traza y cada operador positivo en el subespacio conmutador de la clase traza débil es de la clase traza. [12] En consecuencia, cada traza en el ideal de la clase traza débil es singular y la codimensión del subespacio conmutador del ideal de la clase traza débil es infinita. [6] : 191  No todas las trazas singulares en el ideal de la clase traza débil son trazas de Dixmier. [6] : 316 

Formulación de Lidskii

La traza de una matriz cuadrada es la suma de sus valores propios. La fórmula de Lidskii extiende este resultado al análisis funcional y establece que la traza de un operador de clase de traza A está dada por la suma de sus valores propios, [13]

La caracterización ( 1 ) de una traza φ en operadores positivos de un J de dos ideales como una funcional simétrica aplicada a valores singulares se puede mejorar hasta la afirmación de que la traza φ en cualquier operador en J está dada por la misma funcional simétrica aplicada a secuencias de valores propios , siempre que los valores propios de todos los operadores en J pertenezcan al espacio de secuencias de Calkin j . [14] En particular, si un operador acotado A pertenece a J siempre que haya un operador acotado B en J tal que

para cada número natural n , entonces para cada traza φ en J hay una única función simétrica f en el espacio de Calkin j con

donde λ( A ) es la secuencia de valores propios de un operador A en J reordenada de modo que el valor absoluto de los valores propios sea decreciente. Si A es cuasi-nilpotente entonces λ( A ) es la secuencia cero. La mayoría de los ideales bilaterales satisfacen la propiedad ( 2 ), incluidos todos los ideales de Banach y los ideales cuasi-Banach.

La ecuación ( 3 ) es la afirmación precisa de que las trazas singulares miden el comportamiento espectral asintótico de los operadores.

Formulación de Fredholm

La traza de una matriz cuadrada es la suma de sus elementos diagonales. En análisis funcional, la fórmula correspondiente para los operadores de la clase de traza es

donde { e n } n = 0 es una base ortonormal arbitraria del espacio de Hilbert separable H . Las trazas singulares no tienen una formulación equivalente para bases arbitrarias. Solo cuando φ( A )=0 un operador A generalmente satisfará

para una traza singular φ y una base ortonormal arbitraria { e n } n = 0 . [6] : 242 

La formulación diagonal se utiliza a menudo en lugar de la formulación de Lidskii para calcular la traza de productos, ya que los valores propios de los productos son difíciles de determinar. Por ejemplo, en mecánica estadística cuántica , la esperanza de un observable S se calcula en relación con un operador de densidad de energía de clase de traza fija T mediante la fórmula

donde v T pertenece a ( l ) *l 1 . La esperanza se calcula a partir de los valores esperados ⟨ Se n , e n ⟩ y la probabilidad ⟨ P n ⟩ = λ( n , T ) de que el sistema esté en el estado cuántico límite e n . Aquí P n es el operador de proyección sobre el subespacio unidimensional abarcado por el estado propio de energía e n . Los valores propios del producto, λ( n , ST ), no tienen una interpretación equivalente.

Hay resultados para trazas singulares de productos. [15] Para un producto ST donde S está acotado y T es autoadjunto y pertenece a un ideal bilateral J entonces

para cualquier traza φ en J . La base ortonormal { e n } n = 0 debe ordenarse de modo que Te n = μ( n , T ) e n , n = 0,1,2... . Cuando φ es singular y φ( T )=1 entonces v φ , T es un funcional lineal en l que extiende el límite en el infinito en las secuencias convergentes c . La esperanza ⟨ S ⟩ = φ( ST ) en este caso tiene la propiedad de que ⟨ P n ⟩= 0 para cada n , o que no hay probabilidad de estar en un estado cuántico acotado.

Ha llevado a un vínculo entre las trazas singulares, el principio de correspondencia y los límites clásicos. [6] : cap 12 

Uso en geometría no conmutativa

La primera aplicación de trazas singulares fue el residuo no conmutativo , una traza en operadores pseudodiferenciales clásicos en una variedad compacta que se desvanece en operadores pseudodiferenciales de clase traza de orden menor que el negativo de la dimensión de la variedad, introducido independientemente por Mariusz Wodzicki y Victor Guillemin . [11] [16] Alain Connes caracterizó el residuo no conmutativo dentro de la geometría no conmutativa , la generalización de Connes de la geometría diferencial, utilizando trazas de Dixmier. [3]

En geometría no conmutativa se utiliza una expectativa que implica una densidad de clases de traza singular y no traza .

Aquí S es un operador lineal acotado en el espacio de Hilbert L 2 ( X ) de funciones integrables al cuadrado en una variedad cerrada de dimensión d X , Tr ω es una traza de Dixmier en el ideal de clase de traza débil, y la densidad | D | d en el ideal de clase de traza débil es la d ésima potencia del 'elemento de línea' | D | −1 donde D es un operador de tipo Dirac adecuadamente normalizado de modo que Tr ω (| D | d )=1.

La expectativa ( 4 ) es una extensión de la integral de Lebesgue sobre el álgebra conmutativa de funciones esencialmente acotadas que actúan por multiplicación en L 2 ( X ) al álgebra no conmutativa completa de operadores acotados en L 2 ( X ). [15] Es decir,

donde dx es la forma de volumen en X , f es una función esencialmente acotada, y M f es el operador acotado M f h ( x ) = ( fh )( x ) para cualquier función integrable al cuadrado h en L 2 ( X ). Simultáneamente, la expectativa ( 4 ) es el límite en el infinito de las expectativas cuánticas S → ⟨ Se n , e n ⟩ definidas por los vectores propios del Laplaciano en X . Más precisamente, para muchos operadores acotados en L 2 ( X ), incluidos todos los operadores pseudodiferenciales clásicos de orden cero y los operadores de la forma M f donde f es una función esencialmente acotada, la secuencia ⟨ Se n , e n ⟩ converge logarítmicamente y [6] : 384 

Estas propiedades están vinculadas al espectro de operadores de tipo Dirac y no a trazas de Dixmier; todavía se mantienen si la traza de Dixmier en ( 4 ) se reemplaza por cualquier traza en operadores de clase de traza débil. [15]

Ejemplos

Supongamos que H es un espacio de Hilbert de dimensión infinita separable.

Ideales sin rastros

El examen moderno del subespacio conmutador implica verificar su caracterización espectral . Los siguientes ideales no tienen rastros ya que las medias de Cesàro de las secuencias positivas del espacio de secuencias correspondiente de Calkin pertenecen nuevamente al espacio de secuencias, lo que indica que el ideal y su subespacio conmutador son iguales.

y μ( A ) denota la secuencia de valores singulares de un operador compacto A . Los ideales de Schatten para p > 1 no admiten trazas.
es el ideal débil -L p . Los ideales débiles -L p , p > 1, no admiten trazas. Los ideales débiles -L p son iguales a los ideales de Lorentz (abajo) con función cóncava ψ( n )= n 1−1/ p .

Ideales con rastros

Esta fórmula es válida para cada operador de clase de traza débil A e involucra los valores propios ordenados en valor absoluto decreciente. Además, ω puede ser cualquier extensión hasta l del límite ordinario, no necesita ser invariante a la dilatación como en la formulación original de Dixmier. No todas las trazas singulares en el ideal de clase de traza débil son trazas de Dixmier. [6] : 316 
forman el entorno apropiado. Tienen subespacios conmutadores de co-dimensión infinita que forman una cadena tal que E k -1 ⊂ Com( E k ) (con la convención de que E 0 = L 1 ). Las trazas de Dixmier en E k tienen la forma
Hay algunos ω que extienden el límite ordinario a l tales que
es una traza singular si y sólo si [6] : 225 
El ideal principal generado por cualquier operador compacto A con μ( A )=ψ' se denomina 'pequeño ideal' dentro de L ψ . El ideal de la clase de traza débil del k -tensor es el pequeño ideal dentro del ideal de Lorentz con ψ=log k .

Notas

  1. ^ ab Weiss, Gary (1980). "Conmutadores de operadores de Hilbert-Schmidt, II". Ecuaciones integrales y teoría de operadores . 3 (4): 574–600. doi :10.1007/BF01702316. S2CID  189875793.
  2. ^ ab NJ Kalton (1989). "Operadores y conmutadores de clase traza". Journal of Functional Analysis . 86 : 41–74. doi : 10.1016/0022-1236(89)90064-5 .
  3. ^ ab Connes, Alain (1988). "La acción funcional en geometría no conmutativa" (PDF) . Comunicaciones en Física Matemática . 117 (4): 673–683. Bibcode :1988CMaPh.117..673C. doi :10.1007/bf01218391. S2CID  14261310.
  4. ^ A. Connes (1995). Geometría no conmutativa (PDF) . Nueva York: Academic Press. ISBN 978-0-08-057175-1.
  5. ^ J. Dixmier (1957). Les algèbres d'opérateurs dans l'espace hilbertien: algèbres de von Neumann . París: Gauthier-Villars.,
  6. ^ abcdefghijk S. Lord, FA Sukochev. D. Zanin (2012). Huellas singulares: teoría y aplicaciones. Berlín: De Gruyter. doi :10.1515/9783110262551. ISBN 978-3-11-026255-1.
  7. ^ J. Dixmier (1966). "Existencia de huellas no normales". Cuentas Rendus de l'Académie des Sciences, Serie A et B. 262 : A1107–A1108.
  8. ^ A. Pietsch (1981). "Ideales de operador con huella". Mathematische Nachrichten . 100 : 61–91. doi :10.1002/mana.19811000105.
  9. ^ Nueva Jersey Kalton (1987). "Huellas inusuales sobre los ideales de los operadores" (PDF) . Mathematische Nachrichten . 134 : 119-130. doi :10.1002/mana.19871340108.
  10. ^ JV Varga (1989). "Huellas sobre ideales irregulares" (PDF) . Actas de la American Mathematical Society . 107 (3): 715–723. doi : 10.1090/s0002-9939-1989-0984818-8 .
  11. ^ ab M. Wodzicki (1984). "Invariantes locales de asimetría espectral". Inventiones Mathematicae . 75 : 143–177. Código Bibliográfico :1984InMat..75..143W. doi :10.1007/bf01403095. S2CID  120857263.
  12. ^ ab K. Dykema; T. Figiel; G. Weiss; M. Wodzicki (2004). "Estructura del conmutador de los ideales del operador" (PDF) . Avances en Matemáticas . 185 : 1–79. doi : 10.1016/s0001-8708(03)00141-5 .
  13. ^ VB Lidskii (1959). "Condiciones de completitud de un sistema de subespacios raíz para operadores no autoadjuntos con espectro discreto". Tr. Mosk. Mat. Obs . 8 : 83–120.
  14. ^ [ cita requerida ]
  15. ^ abc NJ Kalton; S. Lord; D. Potapov; F. Sukochev (2013). "Rastros de operadores compactos y el residuo no conmutativo" (PDF) . Avances en Matemáticas . 235 : 1–55. arXiv : 1210.3423 . doi : 10.1016/j.aim.2012.11.007 .
  16. ^ V. Guillemin (1985). "Una nueva prueba de la fórmula de Weyl sobre la distribución asintótica de valores propios". Avances en Matemáticas . 55 (2): 131–160. doi : 10.1016/0001-8708(85)90018-0 .
  17. ^ P. Halmos (1954). "Conmutadores de operadores. II". Revista Americana de Matemáticas . 76 (1): 191–198. doi :10.2307/2372409. JSTOR  2372409.
  18. ^ ab V. Kaftal; G. Weiss (2002). "Trazas, ideales y medias aritméticas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 99 (11): 7356–7360. Bibcode :2002PNAS...99.7356K. doi : 10.1073/pnas.112074699 . PMC 124235 . PMID  12032287. 

Referencias

Véase también