Algebra Calkina

Algebra Calkina – algebra ilorazowa operatorów ograniczonych przez odpowiedni ideał operatorów na przestrzeni Banacha. W klasycznym znaczeniu jest to C*-algebra

𝒬(H)=ℬ(H)/𝒦(H),

gdzie H jest nieskończenie wymiarową ośrodkową zespoloną przestrzenią Hilberta, ℬ(H) oznacza algebrę wszystkich ograniczonych operatorów liniowych na H, a 𝒦(H) – jej ideał operatorów zwartych. Nazwa upamiętnia Johna Williamsa Calkina, który badał tę konstrukcję w pracy z 1941 roku.

Dla ogólnej przestrzeni Banacha X w literaturze występują dwie konwencje: iloraz ℬ(X)/𝒦(X) oraz iloraz ℬ(X)/𝒜(X), gdzie 𝒜(X) jest domknięciem w normie operatorowej zbioru operatorów skończonego rzędu. W przestrzeniach Hilberta oba ideały są równe, natomiast w przestrzeniach Banacha mogą być różne.

Algebry Calkina służą m.in. do opisu operatorów Fredholma i widma istotnego. W przypadku przestrzeni Banacha bada się również, które algebry Banacha można otrzymać jako takie ilorazy. W przypadku klasycznej algebry Calkina niektóre własności jej automorfizmów i zanurzeń innych C*-algebr zależą od przyjętych aksjomatów teorii mnogości.

Klasyczna algebra Calkina

Niech H będzie nieskończenie wymiarową ośrodkową zespoloną przestrzenią Hilberta. Ideał 𝒦(H) jest domkniętym ideałem dwustronnym w ℬ(H), niezmienniczym względem sprzężenia operatorów. Działania i inwolucję w ilorazie określają wzory

(S+𝒦(H))(T+𝒦(H))=ST+𝒦(H),(T+𝒦(H))∗=T∗+𝒦(H).

Normą ilorazową jest norma istotna operatora:

‖T+𝒦(H)‖=‖T‖e=inf⁡{‖T−K‖:K∈𝒦(H)}.

Z tymi działaniami i normą 𝒬(H) jest C*-algebrą z jedynką IH+𝒦(H). Ponieważ wszystkie nieskończenie wymiarowe ośrodkowe zespolone przestrzenie Hilberta są unitarnie izomorficzne, jej typ izomorfizmu nie zależy od wyboru H.

Ideał 𝒦(H) jest jedynym niezerowym właściwym domkniętym ideałem dwustronnym w ℬ(H). W konsekwencji 𝒬(H) jest prosta, tzn. nie ma niezerowych właściwych domkniętych ideałów dwustronnych. Jest przy tym nieprzemienna i nieośrodkowa.

Przykład przemiennej podalgebry otrzymuje się z operatorów diagonalnych na ℓ2. Ograniczonemu ciągowi a=(an) odpowiada operator Daen=anen. Jest on zwarty dokładnie wtedy, gdy an→0. Przejście do ilorazu daje więc izometryczne zanurzenie C*-algebry ℓ∞/c0 w 𝒬(ℓ2).

Algebry Calkina przestrzeni Banacha

Dwie konwencje definicyjne

Niech X będzie nieskończenie wymiarową rzeczywistą lub zespoloną przestrzenią Banacha. Przez ℱ(X) oznacza się ideał operatorów skończonego rzędu, czyli operatorów o skończenie wymiarowym obrazie. Ideał operatorów aproksymowalnych określa się jako

𝒜(X)=ℱ(X)‾‖⋅‖.

Zachodzą inkluzje

ℱ(X)⊆𝒜(X)⊆𝒦(X)⊆ℬ(X).

Zarówno 𝒜(X), jak i 𝒦(X) są domkniętymi ideałami dwustronnymi. Odpowiadające im algebry ilorazowe można dla rozróżnienia zapisać jako

𝒬a(X)=ℬ(X)/𝒜(X),𝒬k(X)=ℬ(X)/𝒦(X).

Obie są algebrami Banacha z jedynką. Termin „algebra Calkina” bywa stosowany do każdej z nich, dlatego w przypadku ogólnej przestrzeni Banacha wymaga wskazania użytej konwencji.

Jeżeli X ma własność aproksymacji, to 𝒜(X)=𝒦(X). W szczególności dotyczy to przestrzeni z bazą Schaudera oraz przestrzeni Hilberta. Wówczas obie konstrukcje dają tę samą algebrę. Bez dodatkowych założeń równość ideałów nie musi zachodzić.

Związek między ilorazami

Inkluzja 𝒜(X)⊆𝒦(X) wyznacza kanoniczny ciągły surjektywny homomorfizm

ρ:𝒬a(X)⟶𝒬k(X),ρ(T+𝒜(X))=T+𝒦(X).

Jego jądrem jest 𝒦(X)/𝒜(X), co daje ciąg dokładny

0⟶𝒦(X)/𝒜(X)⟶𝒬a(X)⟶𝒬k(X)⟶0.

Jeżeli ideały są różne, kanoniczny homomorfizm nie jest różnowartościowy.

Algebra 𝒦(X)/𝒜(X) jest radykalną algebrą Banacha: każdy jej element ma promień spektralny równy zeru. Nie musi jednak być algebrą zerową ani nilpotentną. Tylli i Wirzenius skonstruowali m.in. przykłady, w których iloraz ten jest nieskończenie wymiarowy i nie jest nilpotentny.

W odróżnieniu od przypadku Hilberta ogólna przestrzeń Banacha nie wyznacza naturalnej inwolucji na ℬ(X): operator sprzężony do T:X→X działa na przestrzeni dualnej X∗. Algebry Calkina przestrzeni Banacha nie muszą więc być C*-algebrami.

Teoria Fredholma

Operator T∈ℬ(X) jest Fredholma, jeżeli jego obraz jest domknięty, a jądro i kojądro są skończenie wymiarowe. Jego indeks Fredholma wynosi

ind⁡T=dim⁡ker⁡T−dim⁡(X/T(X)).

Twierdzenie Atkinsona wiąże tę własność z odwracalnością w algebrze Calkina:

T jest operatorem Fredholma⟺T+𝒦(X) jest odwracalny w 𝒬k(X).

Wynik ten pochodzi z pracy Fredericka V. Atkinsona z 1951 roku.

Równoważność pozostaje prawdziwa dla ilorazu przez operatory aproksymowalne:

T jest operatorem Fredholma⟺T+𝒜(X) jest odwracalny w 𝒬a(X).

Istotnie, dla operatora Fredholma można dobrać operator S∈ℬ(X), zwany parametryksem, tak aby oba operatory ST−IX i TS−IX miały skończony rząd. W drugą stronę odwracalność modulo 𝒜(X) pociąga za sobą odwracalność modulo 𝒦(X).

W szczególności dla zespolonej przestrzeni Banacha obie konwencje prowadzą do tego samego widma istotnego w sensie Fredholma:

σe(T)=σ𝒬a(X)(T+𝒜(X))=σ𝒬k(X)(T+𝒦(X))={λ∈ℂ:T−λIX nie jest operatorem Fredholma}.

Indeks Fredholma jest niezmienniczy względem zaburzeń zwartych i lokalnie stały na zbiorze operatorów Fredholma.

Przykładem jest przesunięcie jednostronne S na ℓ2(ℕ0), określone przez Sen=en+1. Jeżeli P0 oznacza rzut na prostą rozpiętą przez e0, to

S∗S=I,SS∗=I−P0,ind⁡S=−1.

Klasa S+𝒦(ℓ2) jest zatem elementem unitarnym algebry Calkina, mimo że sam S nie jest operatorem unitarnym ani odwracalnym. Klasa ta nie ma reprezentanta unitarnego w ℬ(ℓ2), ponieważ zaburzenie zwarte nie zmienia indeksu, a operator unitarny ma indeks zero.

Związek z indeksem wyraża również K-teoria klasycznej algebry Calkina:

K0(𝒬(H))=0,K1(𝒬(H))≅ℤ.

Izomorfizm w drugim wzorze jest dany przez indeks Fredholma; występuje jako homomorfizm łączący w ciągu dokładnym K-teorii odpowiadającym rozszerzeniu 0→𝒦(H)→ℬ(H)→𝒬(H)→0.

Realizacja algebr Banacha jako algebr Calkina

Problem realizacji polega na znalezieniu dla zadanej algebry Banacha A przestrzeni Banacha X, której algebra Calkina jest izomorficzna z A. Izomorfizm algebr Banacha jest tu liniową, multiplikatywną bijekcją ciągłą z ciągłą odwrotnością. Jest to silniejszy wymóg niż izomorfizm samych przestrzeni Banacha lub zanurzenie A jako podalgebry algebry Calkina.

Przykłady realizacji

W poniższych przykładach przestrzeń X można dobrać ośrodkową, nieskończenie wymiarową i z własnością aproksymacji, toteż obie konwencje algebry Calkina są zgodne. Symbol A# oznacza unitizację algebry A, czyli algebrę otrzymaną przez formalne dołączenie jedynki.

AlgebraWynik
ℂ Argyros i Haydon skonstruowali przestrzeń, na której każdy operator ograniczony ma postać λI+K, gdzie K jest zwarty. Jej algebra Calkina jest jednowymiarowa.
ℝ[t]/(tn), n⩾2 Tarbard otrzymał skończenie wymiarowe przemienne algebry Calkina zawierające niezerowe elementy nilpotentne. Są one izomorficzne z algebrami górnotrójkątnych macierzy Toeplitza rozmiaru n.
Rzeczywista ℓ1(ℕ0) ze splotem Tarbard skonstruował przestrzeń, której algebra Calkina jest izometrycznie izomorficzna z tą nieskończenie wymiarową przemienną algebrą Banacha.
Niezerowe skończenie wymiarowe półproste algebry zespolone Kania i Laustsen uzyskali realizacje wszystkich skończonych sum algebr macierzowych Mnj(ℂ).
C(K), gdzie K jest niepustą zwartą przestrzenią metryczną Motakis wykazał, że algebrę funkcji ciągłych na dowolnej takiej przestrzeni można otrzymać z zachowaniem mnożenia i normy: 𝒬k(X) jest izometrycznie izomorficzna z C(K).
𝒦(c0)# Motakis i Puglisi zrealizowali unitizację algebry operatorów zwartych na c0, otrzymując nieskończenie wymiarowy nieprzemienny przykład.
Unitizacja ℓp wyposażonej w mnożenie współrzędne, 1⩽p<∞ Motakis i Pelczar-Barwacz uzyskali takie algebry jako szczególne przypadki ogólniejszej konstrukcji. Dla 1<p<∞ są to nieskończenie wymiarowe refleksywne algebry Calkina, a dla p=2 algebra ilorazowa jest jako przestrzeń Banacha izomorficzna z przestrzenią Hilberta.

Konstrukcje Tarbarda podane w tabeli są rzeczywiste; ich kompleksyfikacje dają realizacje odpowiednio ℂ[t]/(tn) i zespolonej algebry ℓ1(ℕ0) jako algebr Banacha. Wcześniejszy wynik Motakisa, Puglisiego i Zisimopoulou z 2016 roku obejmował C(K) dla przeliczalnych zwartych przestrzeni metrycznych.

Refleksywność w ostatnim wierszu dotyczy algebry ilorazowej, nie przestrzeni X, na której działają operatory. Podobnie izomorfizm tej algebry jako przestrzeni Banacha z przestrzenią Hilberta nie oznacza, że jest ona klasyczną algebrą Calkina: klasyczna algebra Calkina jest nieośrodkowa, podczas gdy ten przykład jest ośrodkowy.

Ograniczenia realizowalności

Horváth i Kania wykazali w 2021 roku, że nie każda algebra Banacha z jedynką o gęstości co najwyżej continuum jest izomorficzna z algebrą Calkina ośrodkowej przestrzeni Banacha. Ogólniej, dla każdej nieskończonej liczby kardynalnej λ istnieją algebry Banacha z jedynką o gęstości nie większej niż 2λ, których nie można zrealizować jako algebr Calkina przestrzeni Banacha o gęstości λ. Wynik obejmuje obie konwencje definicyjne.

W preprincie ogłoszonym w lipcu 2026 roku Antonio Acuaviva i Pablo Acuaviva podali mocniejszy rodzaj przeszkody: skonstruowali algebrę Banacha z jedynką o gęstości continuum, mającą dokładnie jeden niezerowy właściwy domknięty ideał dwustronny, która nie jest izomorficzna ani z ℬ(X)/𝒜(X), ani z ℬ(X)/𝒦(X) dla żadnej przestrzeni Banacha X. W tym wyniku nie zakłada się ośrodkowości przestrzeni realizującej.

Związki z teorią mnogości

Automorfizmy klasycznej algebry Calkina

W tej części przez automorfizm rozumie się *-automorfizm zespolonej C*-algebry 𝒬(H). Jest on wewnętrzny, jeżeli istnieje element unitarny u∈𝒬(H) taki, że

α(a)=uau∗(a∈𝒬(H)).

Automorfizm, który nie jest wewnętrzny, nazywa się zewnętrznym. Element u należy tu do algebry ilorazowej; nie wymaga się, aby miał unitarnego reprezentanta w ℬ(H).

N. Christopher Phillips i Nik Weaver udowodnili, że hipoteza continuum (CH) pociąga za sobą istnienie 2ℵ1 zewnętrznych automorfizmów klasycznej algebry Calkina. Ilijas Farah wykazał natomiast, że aksjomat otwartego kolorowania (OCA, w jego pracy oznaczany przez TA) implikuje, iż każdy automorfizm algebry Calkina jest wewnętrzny.

W konsekwencji istnienie zewnętrznego automorfizmu klasycznej algebry Calkina jest niezależne od aksjomatów ZFC, przy zwykłym założeniu niesprzeczności tej teorii.

Zanurzanie C*-algebr

Odrębnym zagadnieniem jest to, które C*-algebry można zanurzyć w 𝒬(H) za pomocą różnowartościowego *-homomorfizmu. Farah, Hirshberg i Vignati udowodnili w ZFC, że każda C*-algebra o gęstości nie większej niż ℵ1 ma takie zanurzenie. Przy CH obejmuje to wszystkie C*-algebry o gęstości nie większej niż continuum.

Farah, Katsimpas i Vaccaro wykazali, że aksjomat Martina implikuje możliwość zanurzenia każdej C*-algebry o gęstości mniejszej niż continuum. Założenie teoriomnogościowe ma znaczenie: względnie niesprzeczne z ZFC jest także istnienie C*-algebry o gęstości mniejszej niż continuum, która nie ma takiego zanurzenia.

Głodkowski i Koszmider udowodnili, że w modelu otrzymanym z modelu CH przez dodanie ℵ2 liczb Cohena algebra

ℓ∞(c0(𝔠))

nie zanurza się w algebrze Calkina. Symbol c0(𝔠) oznacza algebrę funkcji znikających w nieskończoności na zbiorze o mocy 𝔠, a ℓ∞(c0(𝔠)) – algebrę ograniczonych ciągów jej elementów, z działaniami współrzędnymi. Samo c0(𝔠) zanurza się w algebrze Calkina w ZFC. Natomiast przy CH również powyższy iloczyn ma zanurzenie. Wynik pokazuje zatem, że możliwość zanurzenia nawet przeliczalnego iloczynu takich algebr może zależeć od modelu teorii mnogości.

Zobacz też

Przypisy

  1. 1 2 John W. Calkin, Two-Sided Ideals and Congruences in the Ring of Bounded Operators in Hilbert Space, „Annals of Mathematics”, 42 (4), 1941, s. 839–873, DOI: 10.2307/1968771, JSTOR: 1968771 (ang.).
  2. 1 2 3 4 Bence Horváth, Tomasz Kania, Unital Banach algebras not isomorphic to Calkin algebras of separable Banach spaces, „Proceedings of the American Mathematical Society”, 149 (11), 2021, s. 4781–4787, DOI: 10.1090/proc/15589 (ang.).
  3. 1 2 3 4 Hans-Olav Tylli, Henrik Wirzenius, The quotient algebra of compact-by-approximable operators on Banach spaces failing the approximation property, „Journal of the Australian Mathematical Society”, 110 (2), 2021, s. 266–288, DOI: 10.1017/S1446788719000211 (ang.).
  4. 1 2 3 Mikael Rørdam, Flemming Larsen, Niels J. Laustsen, An Introduction to K-Theory for C*-Algebras, Cambridge University Press, 2000, DOI: 10.1017/CBO9780511623806 (ang.).
  5. 1 2 3 4 5 6 Ilijas Farah, All automorphisms of the Calkin algebra are inner, „Annals of Mathematics”, 173 (2), 2011, s. 619–661, DOI: 10.4007/annals.2011.173.2.1 (ang.).
  6. ↑ Hans-Olav Tylli, Henrik Wirzenius, Closed ideals in the algebra of compact-by-approximable operators, „Journal of Functional Analysis”, 282 (4), 2022, s. 109328, DOI: 10.1016/j.jfa.2021.109328 (ang.).
  7. ↑ Frederick V. Atkinson, The normal solubility of linear equations in normed spaces, „Matematicheskii Sbornik”, 28(70) (1), 1951, s. 3–14 (ros.).
  8. 1 2 Woo Young Lee, Lecture Notes on Operator Theory, Seoul National University, 2010, s. 16–20 (ang.).
  9. 1 2 Pavlos Motakis, Separable Spaces of Continuous Functions as Calkin Algebras, „Journal of the American Mathematical Society”, 37 (1), 2024, s. 1–37, DOI: 10.1090/jams/1024 (ang.).
  10. 1 2 3 Antonio Acuaviva, Pablo Acuaviva, A Unital Banach Algebra Which Is Not a Calkin Algebra, preprint, zgłoszony 16 lipca 2026, arXiv, 2026, DOI: 10.48550/arXiv.2607.15075 (ang.).
  11. ↑ Spiros A. Argyros, Richard G. Haydon, A hereditarily indecomposable L∞-space that solves the scalar-plus-compact problem, „Acta Mathematica”, 206 (1), 2011, s. 1–54, DOI: 10.1007/s11511-011-0058-y (ang.).
  12. ↑ Matthew Tarbard, Hereditarily indecomposable, separable L∞ Banach spaces with ℓ₁ dual having few but not very few operators, „Journal of the London Mathematical Society”, 85 (3), 2012, s. 737–764, DOI: 10.1112/jlms/jdr066 (ang.).
  13. 1 2 Matthew Tarbard, Operators on Banach Spaces of Bourgain–Delbaen Type, rozprawa doktorska, twierdzenia 3.1.4 i 4.1.1, University of Oxford, 2013, DOI: 10.48550/arXiv.1309.7469 (ang.).
  14. ↑ Tomasz Kania, Niels Jakob Laustsen, Ideal structure of the algebra of bounded operators acting on a Banach space, „Indiana University Mathematics Journal”, 66 (3), uwaga dodana w korekcie, s. 1022, 2017, s. 1019–1043, DOI: 10.1512/iumj.2017.66.6037 (ang.).
  15. ↑ Pavlos Motakis, Daniele Puglisi, The compact operators on c₀ as a Calkin algebra, „Pure and Applied Functional Analysis”, 10 (4), 2025, s. 945–966 (ang.).
  16. 1 2 Pavlos Motakis, Anna Pelczar-Barwacz, Reflexive Calkin algebras, „Journal of the European Mathematical Society”, publikacja internetowa przed przypisaniem do tomu, 2025, DOI: 10.4171/JEMS/1709 (ang.).
  17. ↑ Pavlos Motakis, Daniele Puglisi, Despoina Zisimopoulou, A hierarchy of Banach spaces with C(K) Calkin algebras, „Indiana University Mathematics Journal”, 65 (1), 2016, s. 39–67, DOI: 10.1512/iumj.2016.65.5756 (ang.).
  18. ↑ N. Christopher Phillips, Nik Weaver, The Calkin algebra has outer automorphisms, „Duke Mathematical Journal”, 139 (1), 2007, s. 185–202, DOI: 10.1215/S0012-7094-07-13915-2 (ang.).
  19. ↑ Ilijas Farah, Ilan Hirshberg, Alessandro Vignati, The Calkin algebra is ℵ₁-universal, „Israel Journal of Mathematics”, 237, 2020, s. 287–309, DOI: 10.1007/s11856-020-2007-y (ang.).
  20. ↑ Ilijas Farah, Georgios Katsimpas, Andrea Vaccaro, Embedding C*-Algebras Into the Calkin Algebra, „International Mathematics Research Notices”, 2021 (11), 2021, s. 8188–8224, DOI: 10.1093/imrn/rnz058 (ang.).
  21. ↑ Damian Głodkowski, Piotr Koszmider, Products of C*-algebras that do not embed into the Calkin algebra, „Fundamenta Mathematicae”, 271 (3), 2025, s. 273–292, DOI: 10.4064/fm250516-22-9 (ang.).