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Máster y doctorado

Álgebras de von Neumann

Una sucesión de operadores puede aproximar bien cada vector que fijamos y seguir teniendo siempre un error máximo de uno si cambiamos el vector de prueba. Las álgebras de von Neumann se construyen con esas formas de límite. Primero distinguiremos qué estamos observando; después veremos cómo una condición de conmutación detecta el mismo cierre.

1. Norma, fuerte y débil prueban errores diferentes

Convergencia en norma exige ‖T_{α}−T‖→0: controla simultáneamente todas las entradas unitarias. Convergencia fuerte, SOT, exige ‖(T_{α}−T)x‖→0 para cada x fijo. Convergencia débil de operadores, WOT, exige ⟨(T_{α}−T)x, y⟩→0 para cada par fijo x, y. Norma implica fuerte y fuerte implica débil por la cota de operador y Cauchy–Schwarz.

Convergencia para cada vector fijo no equivale a una cota uniforme sobre todos
Proyectar sobre las primeras NUn vector fijo: xₙ=√3 / 2ⁿN=11/2N=21/4N=31/8N=41/16‖(I−PN)x‖=2⁻ᴺ → 0Pero (I−PN)eN+1=eN+1.‖I−PN‖=1 para todo N.
El vector fijo de coordenadas raíz de tres entre dos a la n tiene norma uno. Al proyectar sobre las primeras N coordenadas, la norma de su cola es dos a la menos N; las cuatro barras usan N uno a cuatro y una escala común. Sin embargo, para cada N podemos escoger otro vector, e sub N más uno, que queda completamente fuera de la proyección. Por eso la norma del error de operador es siempre uno aunque para todo vector fijo su cola tienda a cero. El índice N del operador no se confunde con el índice n de sus coordenadas.

En ℓ², la proyección P_{N} sobre las primeras N coordenadas converge fuertemente a I porque cada cola de una sucesión cuadrado sumable tiende a cero. Pero ‖I−P_{N}‖=1: para cada N queda un vector unitario e_{N+1} fuera. Cambiar la entrada con N es lo que distingue la prueba uniforme de la prueba fuerte.

Una entrada fija tiene una cola calculable

x_{n}=√3/2ⁿ para n≥1.

  1. Norma total

    ∑3/4ⁿ=1: x es unitario.
  2. Cola

    \sum_{n>N}3/4ⁿ=4⁻ᴺ.
  3. Error

    ‖(I−P_{N})x‖=2⁻ᴺ→0.
Resultado

Para esta entrada se ve exactamente la convergencia fuerte.

Lo comprobamos

La demostración para cualquier x∈ℓ² usa la convergencia de su propia serie de cuadrados.

Débil no implica fuerte

S es el desplazamiento unilateral y consideramos Sⁿ.

  1. Normas

    ‖Sⁿx‖=‖x‖, así que no tiende fuertemente a cero para x≠0.

  2. Pruebas finitas

    Si x, y tienen soporte finito, sus soportes dejan de solaparse cuando n es grande y ⟨Sⁿx, y⟩=0.

  3. Extender

    Aproximar x, y por soportes finitos y usar ‖Sⁿ‖=1 demuestra el límite cero para cualquier par fijo.

Resultado

Sⁿ converge a cero en WOT y no en SOT.

Lo comprobamos

La cota uniforme uno permite pasar de las pruebas finitas a todo el Hilbert.

2. Una álgebra de von Neumann está cerrada para esos límites débiles

Una álgebra de von Neumann concreta M⊂B(H) es una subálgebra que contiene I, respeta adjuntos y es cerrada en WOT. Es también cerrada en norma, porque converger en norma implica converger débilmente: toda álgebra de von Neumann es una C estrella.

El recíproco falla en una representación fija. En H=ℓ², K(H)+C I, compactos más escalares, es una C estrella propia. Sin embargo P_{NTP}_N tiene rango finito y converge fuertemente a cualquier T∈B(H). Su cierre fuerte es todo B(H), mucho mayor que la C estrella inicial.

Comprobar la aproximación por rango finito

T es acotado y x está fijo.

  1. Separar el error

    P_{NTP}_Nx−Tx=P_{NT}(P_{Nx}−x)+(P_{N}−I)Tx.
  2. Primer término

    Su norma es como máximo ‖T‖‖P_{Nx}−x‖ y tiende a cero.

  3. Segundo término

    Tx es un vector fijo de H, así que su cola también tiende a cero.

Resultado

La aproximación es fuerte, no necesariamente en norma.

Lo comprobamos

P_{NTP}_N tiene imagen en un espacio finito, por lo que sí pertenece a los compactos.

Una proyección que falta en compactos más escalares

Q=diag(1,0,1,0,…).

  1. Restar un escalar

    Q−λI tiene entradas alternas 1−λ y −λ.

  2. Compacidad diagonal

    Para ser compacto, ambas subsucesiones de entradas tendrían que tender a cero.

  3. Imposibilidad

    Eso exigiría a la vez λ=1 y λ=0.
Resultado

Q no pertenece a K(H)+C I, aunque es límite fuerte de truncaciones finitas.

Lo comprobamos

La representación elegida en B(ℓ²) es parte del ejemplo.

3. El conmutante reúne todos los operadores compatibles con una acción

Para A⊂B(H), su conmutante es A′={T: Ta=aT para todo a∈A}.

Cada igualdad se puede comprobar en productos internos; pasar a un límite WOT la conserva. Por tanto A′ es cerrado en WOT. Si A respeta adjuntos, A′ también, y siempre contiene I.

Conmutar con diagonales elimina entradas cruzadas; conmutar con todo obliga además a igualar las diagonales
T = [ a b ; c d ]Con D=diag(1,2): TD=DTb=0; c=0T=diag(a,d)También con E₁₂: a=dT=a IDiagonal ≠ necesariamente escalar.
Partimos de una matriz general dos por dos con entradas a b c d. La condición de conmutar con la diagonal uno dos fuerza b y c a cero, de modo que queda una diagonal libre. Si además se exige conmutar con E uno dos, las dos entradas diagonales deben coincidir. Así el conmutante de todas las diagonales es diagonal y el de todas las matrices es escalar. Los recuadros separan condiciones sucesivas sobre la misma matriz; no representan tamaños distintos de espacio.

Siempre A⊂A″: cada a conmuta con todos los que, por definición, conmutan con él. El conmutante depende del Hilbert y de la representación. El centro es Z(M)=M∩M′, que exige además pertenecer a M: centro y conmutante no son sinónimos.

Conmutar con una diagonal de entradas distintas

T=[[a, b],[c, d]], D=diag(1,2).

  1. Multiplicar

    TD=[[a,2b],[c,2d]], DT=[[a, b],[2c,2d]].
  2. Igualar

    2b=b y c=2c fuerzan b=c=0.
  3. Libertad

    a y d quedan libres: el conmutante de D son las diagonales.

Resultado

El cálculo muestra exactamente qué entradas desaparecen.

Lo comprobamos

No se ha obligado a a=d todavía.

Conmutar con todas las matrices añade una condición

Partimos de T=diag(a, d).

  1. Otra matriz

    E₁₂ tiene uno en fila uno columna dos.

  2. Comparar

    TE₁₂=aE₁₂, mientras E₁₂T=dE₁₂.
  3. Igualar

    a=d; las matrices escalares sí conmutan con todas.

Resultado

El conmutante de M₂(C) es C I.

Lo comprobamos

El primer cálculo y este segundo se necesitan para descartar tanto entradas cruzadas como diagonales diferentes.

4. El bicommutante une el criterio algebraico con el cierre analítico

El teorema del bicommutante afirma que, para una *-subálgebra unital A⊂B(H), \overline A^{\rm SOT}=\overline A^{\rm WOT}=A^{\prime\prime}.

En particular, M es de von Neumann exactamente cuando M=M″.

Unidad y estabilidad por adjunto pertenecen a esta formulación.

La idea empieza con el cierre de Ax para una entrada x. Es invariante por A y sus adjuntos; la proyección sobre él conmuta con A. Si T∈A″, conmuta con esa proyección y envía x al mismo cierre, así que Tx se aproxima mediante Ax. Para aproximar varios vectores a la vez se repite el argumento en una suma finita de copias de H.

Aplicar el criterio a las diagonales

D₂ es el álgebra de matrices diagonales en C².

  1. Primer conmutante

    D₂′=D₂ por el cálculo de entradas.
  2. Segundo

    D₂″=D₂.
  3. Teorema

    Es un álgebra de von Neumann en esta representación.

Resultado

El resultado algebraico ya certifica el cierre.

Lo comprobamos

En dimensión finita también se ve directamente que todos los subespacios son cerrados.

El bicommutante de los escalares es pequeño

A=C I en B(H).

  1. Primer paso

    Todo operador conmuta con escalares: A′=B(H).
  2. Segundo paso

    Los que conmutan con todo B(H) son escalares.

  3. Resultado

    A″=C I, como A.
Resultado

Tomar dos conmutantes no significa obtener siempre todo B(H).

Lo comprobamos

El primer conmutante invierte la exigencia; el segundo vuelve a imponer compatibilidad con todo lo obtenido.

5. Las proyecciones espectrales permanecen dentro del álgebra

Una proyección p=p*=p² corresponde al subespacio cerrado pH.
Escribimos p≤q cuando pH⊂qH, equivalente a pq=qp=p.

En una álgebra de von Neumann, cualquier familia de proyecciones tiene supremo e ínfimo dentro de M.

Si a=a*∈M, sus proyecciones espectrales P(B), para conjuntos borelianos, pertenecen a M; también su cálculo funcional boreliano acotado. En una C estrella abstracta solo habíamos garantizado el cálculo continuo. Los autoadjuntos acotados se aproximan en norma por sumas finitas de escalares por proyecciones espectrales, subdividiendo su espectro.

Una proyección de intervalo en matrices

a=diag(−2,1,4) y B=(0,3).

  1. Seleccionar

    Solo el autovalor uno pertenece al intervalo.

  2. Proyección

    P(B)=diag(0,1,0).
  3. Comprobar

    Es autoadjunta e idempotente y su imagen es la segunda coordenada.

Resultado

El intervalo decide qué subespacio se conserva.

Lo comprobamos

Los extremos no tienen aquí autovalores, pero en general su inclusión o exclusión sí importa.

Una proyección medible con salto

M=L∞([0,1]) actuando por multiplicación en L².

  1. Función

    p=1_{[1/2,1]} tiene solo valores cero y uno.
  2. Álgebra

    Es medible acotada y satisface p²=p*=p casi en todas partes.

  3. Imagen

    Proyecta sobre funciones soportadas en la mitad derecha, salvo conjuntos nulos.

Resultado

El salto no impide pertenecer a L∞.

Lo comprobamos

Esa función no pertenece a C([0,1]); son exigencias diferentes.

6. Normalidad expresa continuidad respecto de límites crecientes

Las multiplicaciones por funciones de L∞(X, μ) dan álgebras conmutativas de von Neumann en modelos usuales, por ejemplo espacios de probabilidad. Los valores se consideran casi en todas partes. En el marco conmutativo con predual separable hay modelos sobre espacios de medida estándar.

Una aplicación positiva es normal si preserva supremos de redes crecientes acotadas de elementos positivos. Los funcionales normales forman el predual M_*, y la topología σ(M, M_*) se llama ultra-débil. En conjuntos acotados coincide con WOT en una representación concreta; no se identifican como topologías globales sin esa restricción.

Un estado normal dado por una densidad

En L∞([0,1]), φ(f)=∫₀¹f(x)dx.

  1. Estado

    φ(1)=1 y f≥0 implica φ(f)≥0.
  2. Límites crecientes

    Si 0≤f_{n}↑f acotadamente, la convergencia monótona da φ(f_{n})↑φ(f).
  3. Marco

    La integral es un funcional normal; el enunciado de normalidad completo también contempla redes.

Resultado

La integral conserva los límites monótonos apropiados.

Lo comprobamos

La comprobación secuencial ilustra la propiedad; no se usa para sustituir sin más su definición por redes.

La traza normalizada en matrices

τ(A)=Tr(A)/n en M_{n}(C).

  1. Normalización

    τ(I)=n/n=1.
  2. Positividad

    Una matriz positiva tiene autovalores no negativos y traza no negativa.

  3. Normalidad

    En dimensión finita los límites de matrices y sus trazas se controlan por sus entradas.

Resultado

Es un ejemplo de estado normal tracial.

Lo comprobamos

Tracial añade τ(AB)=τ(BA); no todo estado normal tiene esa propiedad.

7. El centro distingue bloques; un factor tiene solo escalares centrales

Z(M)=M∩M′ es el centro.

Una proyección central p separa la acción en pM y (I−p)M. Un factor es una álgebra con centro C I: no admite esa descomposición central no trivial, pero puede tener muchas proyecciones que no sean centrales.

M_{n}(C) es factor porque su centro son los escalares. El álgebra diagonal D_{n} es conmutativa y su centro es toda D_{n}; solo es factor si n=1. Las descomposiciones centrales generales pueden ser integrales de factores, no solo listas de bloques finitos.

Un factor tiene proyecciones no triviales

En M₂(C), p=diag(1,0).

  1. Proyección

    p²=p*=p y no es cero ni I.
  2. Conmutar

    pE₁₂=E₁₂, pero E₁₂p=0.
  3. Centro

    No es central; no contradice que M₂(C) sea factor.

Resultado

Factor no significa ausencia de subespacios o proyecciones.

Lo comprobamos

Lo que prohíbe es una proyección central propia no nula.

Dos bloques producen centro de dimensión dos

M=M₂(C)⊕M₃(C).

  1. Centrales

    Son (λI₂, μI₃), con dos escalares independientes.

  2. Proyección

    p=(I₂,0) es central y propia.
  3. Descomposición

    pM es el primer bloque y (I−p)M el segundo.

Resultado

El álgebra no es factor.

Lo comprobamos

El tamaño de los bloques dos y tres no es la dimensión de su centro.

8. Finitud de una proyección depende de las equivalencias disponibles en el álgebra

p y q son equivalentes si hay una isometría parcial v∈M con v*v=p y vv*=q. Una proyección es finita si no es equivalente a una subproyección propia. Esta finitud es interna al álgebra: no significa necesariamente rango finito en el Hilbert de la representación.

Mínima significa no tener subproyecciones entre cero y ella. En B(H), las mínimas son las de rango uno y las de rango finito son finitas. Pero en B(ℓ²), el desplazamiento da I equivalente a I−P₁, así que I es infinita. En factores II₁ la unidad es finita aunque el espacio de representación pueda ser infinito-dimensional.

Equivalencia de dos proyecciones de rango uno

p=E₁₁, q=E₂₂ y v=E₂₁.

  1. Primera acción

    v*v=E₁₂E₂₁=E₁₁=p.
  2. Segunda

    vv*=E₂₁E₁₂=E₂₂=q.
  3. Interpretar

    v identifica la primera coordenada con la segunda.

Resultado

Las proyecciones son equivalentes aunque no sean iguales.

Lo comprobamos

La equivalencia conserva rango en matrices finitas.

La unidad infinita de B(ℓ²)

Usar el desplazamiento S.

  1. Entrada

    S*S=I.
  2. Imagen

    SS*=I−P₁, una subproyección propia de I.
  3. Equivalencia

    S realiza I∼I−P₁ dentro del álgebra.

Resultado

I es infinita en el sentido de proyecciones.

Lo comprobamos

La misma ecuación es imposible en matrices cuadradas finitas por conservación del rango.

9. Los tipos I, II y III comparan mínimas, finitas y trazas

Los factores I tienen proyecciones mínimas y son isomorfos a B(K). Los II no tienen mínimas pero sí proyecciones finitas no nulas: II₁ si la unidad es finita y II∞ si es infinita. En los III no hay proyecciones finitas no nulas.

Un factor II₁ tiene traza normal fiel normalizada única, τ(I)=1; en proyecciones proporciona dimensiones de todo [0,1]. II∞ tiene trazas normales fieles semifinitas, pero no una traza finita normalizada en I. Semifinita significa que todo positivo no nulo domina algún positivo no nulo de traza finita.

Los III no tienen esa traza. Los tipos no clasifican por sí solos todos los factores.

La traza como dimensión discreta en matrices

En M₄(C), p=diag(1,1,0,0).

  1. Traza usual

    Tr(p)=2, igual al rango.
  2. Normalizar

    τ(p)=2/4=1/2.
  3. Valores posibles

    Las proyecciones de M₄ tienen trazas normalizadas 0,1/4,1/2,3/4,1.

Resultado

En este factor tipo I la escala es discreta.

Lo comprobamos

En II₁ existen proyecciones de toda traza entre cero y uno, sin proyecciones mínimas.

Por qué una traza finita fiel descarta la unidad infinita

Suponer I∼q<I y una traza fiel τ con τ(I)=1.

  1. Equivalencia

    De v*v=I y vv*=q, la propiedad tracial da τ(I)=τ(q).
  2. Resto

    τ(I−q)=1−1=0.
  3. Fidelidad

    I−q es positivo no nulo y debería tener traza positiva: contradicción.

Resultado

Una unidad con tal traza no puede ser infinita.

Lo comprobamos

La fidelidad es necesaria para obtener la contradicción con el resto no nulo.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Conmutante de todas las matrices

Halla el conmutante de M₂(C).

  1. Matriz general

    Sea T=[[a, b],[c, d]] en el conmutante de M₂(C).
  2. Probar con diagonales

    Conmutar con diag(1,2) obliga a b=c=0.
  3. Reducir

    Queda T=diag(a, d).
  4. Probar con E₁₂

    TE₁₂=aE₁₂ y E₁₂T=dE₁₂, de donde a=d.
  5. Necesidad

    T es escalar aI.

  6. Suficiencia

    Todo escalar conmuta con cualquier matriz, así que el conmutante es exactamente C I.

Resultado

El conmutante es C·I.

Lo comprobamos

Todo escalar sí conmuta con cualquier matriz.

EJEMPLO RESUELTO 2

Conmutante diagonal

Halla el conmutante del álgebra de matrices diagonales 2×2.

  1. Matriz general

    Sea T=[[a, b],[c, d]] que conmuta con toda diagonal.

  2. Elegir una prueba

    En particular conmuta con D=diag(1,2).
  3. Multiplicar

    TD=[[a,2b],[c,2d]], DT=[[a, b],[2c,2d]].
  4. Igualar

    b=0 y c=0, sin imponer igualdad entre a y d.
  5. Necesidad

    T es diagonal.

  6. Suficiencia

    Dos diagonales conmutan entre sí: el conmutante es la propia álgebra diagonal.

Resultado

El conmutante es la misma álgebra diagonal.

Lo comprobamos

En este ejemplo es maximal abeliana.

Los símbolos que hemos usado

B(H)
Operadores lineales acotados de un Hilbert complejo H.
SOT, WOT
Topologías fuerte y débil de operadores: convergencia de Tx en norma y de ⟨Tx,y⟩ escalar, respectivamente.
M′, M″
Conmutante de M en B(H) y conmutante del conmutante, siempre en la representación especificada.
Z(M)
Centro M∩M′: elementos de M que conmutan con todo M.
p∼q
Equivalencia de Murray–von Neumann: existe v∈M con v*v=p y vv*=q.
τ
Traza positiva que satisface τ(ab)=τ(ba); en el caso semifinito puede tomar valor infinito sobre positivos.
L∞(X,μ)
Funciones medibles esencialmente acotadas, identificadas si coinciden casi en todas partes.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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