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