Satz von Gelfand-Naimark

Die Gelfand-Neumark-Sätze (nach Israel Gelfand und Mark Neumark) und die GNS-Konstruktion bilden die Ausgangspunkte der mathematischen Theorie der C*-Algebren. Sie verbinden abstrakt definierte C*-Algebren mit konkreten Algebren von Funktionen und Operatoren.

Die ersten Beispiele von C*-Algebren, die man direkt nach der Definition angeben kann, sind die Algebra C₀(X) der stetigen Funktionen $X \rightarrow \mathbb C$ auf einem lokalkompakten Hausdorff-Raum X, die im Unendlichen verschwinden, und die Unter-C*-Algebren von L(H), wobei L(H) die Algebra der beschränkten, linearen Operatoren auf einem Hilbertraum H ist.

Die Gelfand-Neumark-Sätze zeigen, dass dies bis auf isometrische *-Isomorphie bereits alle möglichen C*-Algebren sind. Diese Resultate sind erstaunlich, denn in der Definition der C*-Algebren ist weder von lokalkompakten Hausdorff-Räumen noch von Hilberträumen die Rede.

Satz von Gelfand-Neumark, kommutativer Fall

Ist A eine kommutative C*-Algebra, so gibt es einen lokalkompakten Hausdorff-Raum X und einen isometrischen *-Isomorphismus zwischen A und C₀(X).

Konstruktion des lokalkompakten Hausdorffraums

X ist die Menge aller von der Nullabbildung verschiedenen *-Homomorphismen $\chi: A \rightarrow \mathbb C$. Zu jedem $a \in A$ ist durch $\tilde{a}(\chi)=\chi(a)$ eine Abbildung $\tilde{a}: X \rightarrow \mathbb C$ definiert. Schließlich kann man beweisen, dass die Topologie der punktweisen Konvergenz X zu einem lokalkompakten Hausdorff-Raum macht und dass $a \rightarrow \tilde{a}$ ein isometrischer *-Isomorphismus zwischen A und C₀(X) ist.

Bemerkungen

Nach diesem Satz kann ein Element einer kommutativen C*-Algebra wie eine stetige Funktion behandelt werden. So ist z.B. das Spektrum eines Elementes nichts weiter als der Abschluss des Bildes der zugehörigen stetigen Funktion.

Dieser Satz eröffnet ein sehr fruchtbares Zusammenspiel zwischen algebraischen Eigenschaften von C*-Algebren und topologischen Eigenschaften lokalkompakter Räume. Ist $A \cong C_0(X)$, so hat man neben vielen anderen folgende Entsprechungen:

• A hat ein Einselement. $\Leftrightarrow$ X ist kompakt.
• A ist endlich erzeugt. $\Leftrightarrow$ X ist homoömorph zu einer Teilmenge eines endlich-dimensionalen Vektorraums.
• Der Adjunktion eines Einselementes entspricht die Einpunktkompaktifizierung von X.

Topologische Begriffsbildungen werden in algebraische Eigenschaften kommutativer C*-Algebren übersetzt und dann auf nicht-kommutative C*-Algebren verallgemeinert; das ist häufig der Ausgangspunkt weiterer Theorien. Aus diesem Grunde bezeichnet man die Theorie der C*-Algebren auch als nicht-kommutative Topologie.

Satz von Gelfand-Neumark, allgemeiner Fall

Ist A eine C*-Algebra, so gibt es einen Hilbert-Raum H, so dass A isometrisch *-isomorph zu einer Unter-C*-Algebra von L(H) ist.

Konstruktion des Hilbertraums

Sei $f:A\rightarrow \mathbb C$ ein stetiges lineares Funktional mit $\|f\| = 1$ und $f(x^*x) \ge 0$ für alle $x \in A$. Solche Funktionale nennt man auch Zustände von A. Zum Zustand f setze $N_f := \{x\in A: f(x^*x) = 0\}$. Dann definiert die Formel $\langle x+N_f, y+N_f\rangle = f(y^*x)$ ein Skalarprodukt auf dem Quotientenraum A / N_f. Die Vervollständigung bzgl. dieses Skalarproduktes ist ein Hilbertraum H_f. Für jedes $a \in A$ lässt sich die Abbildung $x+N_f \mapsto ax+N_f$ zu einem stetigen linearen Operator π_f(a) auf H_f fortsetzen. Dann zeigt man, dass die so erklärte Abbildung $\pi_f: A \rightarrow L(H_f)$ ein *-Homomorphismus ist. Schließlich konstruiert man aus der Gesamtheit der so gewonnenen Hilberträume H_f einen Hilbertraum der gewünschten Art.

Bemerkungen

Ein Element einer abstrakt definierten C*-Algebra kann also wie ein beschränkter linearer Operator auf einem Hilbertraum behandelt werden.

Die oben beschriebene Konstruktion von π_f aus f heißt die GNS-Konstruktion, wobei GNS für Gelfand, Neumark und Segal steht.

Man nennt *-Homomorphismen der Art $\pi: A \rightarrow L(H)$ auch Darstellungen von A auf H. Nach obigem Satz hat jede C*-Algebra eine treue (d.h. injektive) Darstellung auf einem Hilbertraum. Eine Darstellung heißt topologisch irreduzibel, wenn es keinen echten von 0 verschiedenen abgeschlossenen Unterraum U von H gibt, für den $\pi(a)U \subset U$ für alle $a\in A$ gilt.

Satz von Segal

Ist A eine C*-Algebra, so ist der Zustandsraum S(A) konvex und $f \in S(A)$ ist genau dann ein Extremalpunkt, wenn die Darstellung $\pi_f: A \rightarrow L(H_f)$ topologisch irreduzibel ist.

Jede irreduzible Darstellung von A ist von der Form π_f für einen extremalen Zustand f von A.

Weitere Bemerkungen

Auf dieser Grundlage wurde eine sehr weit reichende Darstellungstheorie für C*-Algebren entwickelt. C*-Algebren lassen sich durch die Bilder ihrer irreduziblen Darstellungen weiter klassifizieren. So heißt eine C*-Algebra liminal, wenn das Bild einer jeden irreduziblen Darstellung mit der Algebra der kompakten Operatoren zusammenfällt. Eine C*-Algebra heißt postliminal, wenn das Bild einer jeden irreduziblen Darstellung die Algebra der kompakten Operatoren enthält.

Literatur

• I. M. Gelfand, M. A. Neumark, On the embedding of normed rings into the ring of operators in Hilbert space, Mat. Sb. 12 (1943), 197-213
• I. E. Segal, Irreducible Representations of Operator Algebras, Bull. Amer. Math. Soc. 53 (1947), 73-88
• J. Dixmier, Les C*-algèbres et leurs représentations, Gauthier-Villars, 1969
• R.V. Kadison, J. R. Ringrose, Fundamentals of the Theory of Operator Algebras, 1983, ISBN 0123933501
• Werner: Funktionalanalysis, Springer Lehrbuch, Berlin, 2005 S. 466ff.