Algebra Calkina – algebra ilorazowa operatorów ograniczonych przez odpowiedni ideał operatorów na przestrzeni Banacha. W klasycznym znaczeniu jest to C*-algebra
gdzie jest nieskończenie wymiarową ośrodkową zespoloną przestrzenią Hilberta, oznacza algebrę wszystkich ograniczonych operatorów liniowych na a – jej ideał operatorów zwartych. Nazwa upamiętnia Johna Williamsa Calkina, który badał tę konstrukcję w pracy z 1941 roku.
Dla ogólnej przestrzeni Banacha w literaturze występują dwie konwencje: iloraz oraz iloraz gdzie 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.
Niech będzie nieskończenie wymiarową ośrodkową zespoloną przestrzenią Hilberta. Ideał jest domkniętym ideałem dwustronnym w niezmienniczym względem sprzężenia operatorów. Działania i inwolucję w ilorazie określają wzory
Normą ilorazową jest norma istotna operatora:
Z tymi działaniami i normą jest C*-algebrą z jedynką Ponieważ wszystkie nieskończenie wymiarowe ośrodkowe zespolone przestrzenie Hilberta są unitarnie izomorficzne, jej typ izomorfizmu nie zależy od wyboru .
Ideał jest jedynym niezerowym właściwym domkniętym ideałem dwustronnym w W konsekwencji 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 Ograniczonemu ciągowi odpowiada operator Jest on zwarty dokładnie wtedy, gdy Przejście do ilorazu daje więc izometryczne zanurzenie C*-algebry w .
Niech będzie nieskończenie wymiarową rzeczywistą lub zespoloną przestrzenią Banacha. Przez oznacza się ideał operatorów skończonego rzędu, czyli operatorów o skończenie wymiarowym obrazie. Ideał operatorów aproksymowalnych określa się jako
Zachodzą inkluzje
Zarówno jak i są domkniętymi ideałami dwustronnymi. Odpowiadające im algebry ilorazowe można dla rozróżnienia zapisać jako
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 ma własność aproksymacji, to 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.
Inkluzja wyznacza kanoniczny ciągły surjektywny homomorfizm
Jego jądrem jest co daje ciąg dokładny
Jeżeli ideały są różne, kanoniczny homomorfizm nie jest różnowartościowy.
Algebra 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 operator sprzężony do działa na przestrzeni dualnej Algebry Calkina przestrzeni Banacha nie muszą więc być C*-algebrami.
Operator jest Fredholma, jeżeli jego obraz jest domknięty, a jądro i kojądro są skończenie wymiarowe. Jego indeks Fredholma wynosi
Twierdzenie Atkinsona wiąże tę własność z odwracalnością w algebrze Calkina:
Wynik ten pochodzi z pracy Fredericka V. Atkinsona z 1951 roku.
Równoważność pozostaje prawdziwa dla ilorazu przez operatory aproksymowalne:
Istotnie, dla operatora Fredholma można dobrać operator zwany parametryksem, tak aby oba operatory i miały skończony rząd. W drugą stronę odwracalność modulo pociąga za sobą odwracalność modulo .
W szczególności dla zespolonej przestrzeni Banacha obie konwencje prowadzą do tego samego widma istotnego w sensie Fredholma:
Indeks Fredholma jest niezmienniczy względem zaburzeń zwartych i lokalnie stały na zbiorze operatorów Fredholma.
Przykładem jest przesunięcie jednostronne na określone przez Jeżeli oznacza rzut na prostą rozpiętą przez to
Klasa jest zatem elementem unitarnym algebry Calkina, mimo że sam nie jest operatorem unitarnym ani odwracalnym. Klasa ta nie ma reprezentanta unitarnego w ponieważ zaburzenie zwarte nie zmienia indeksu, a operator unitarny ma indeks zero.
Związek z indeksem wyraża również K-teoria klasycznej algebry Calkina:
Izomorfizm w drugim wzorze jest dany przez indeks Fredholma; występuje jako homomorfizm łączący w ciągu dokładnym K-teorii odpowiadającym rozszerzeniu .
Problem realizacji polega na znalezieniu dla zadanej algebry Banacha przestrzeni Banacha której algebra Calkina jest izomorficzna z Izomorfizm algebr Banacha jest tu liniową, multiplikatywną bijekcją ciągłą z ciągłą odwrotnością. Jest to silniejszy wymóg niż izomorfizm samych przestrzeni Banacha lub zanurzenie jako podalgebry algebry Calkina.
W poniższych przykładach przestrzeń można dobrać ośrodkową, nieskończenie wymiarową i z własnością aproksymacji, toteż obie konwencje algebry Calkina są zgodne. Symbol oznacza unitizację algebry czyli algebrę otrzymaną przez formalne dołączenie jedynki.
| Algebra | Wynik |
|---|---|
| Argyros i Haydon skonstruowali przestrzeń, na której każdy operator ograniczony ma postać gdzie jest zwarty. Jej algebra Calkina jest jednowymiarowa. | |
| Tarbard otrzymał skończenie wymiarowe przemienne algebry Calkina zawierające niezerowe elementy nilpotentne. Są one izomorficzne z algebrami górnotrójkątnych macierzy Toeplitza rozmiaru . | |
| Rzeczywista 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 . |
| gdzie jest niepustą zwartą przestrzenią metryczną | Motakis wykazał, że algebrę funkcji ciągłych na dowolnej takiej przestrzeni można otrzymać z zachowaniem mnożenia i normy: jest izometrycznie izomorficzna z . |
| Motakis i Puglisi zrealizowali unitizację algebry operatorów zwartych na otrzymując nieskończenie wymiarowy nieprzemienny przykład. | |
| Unitizacja wyposażonej w mnożenie współrzędne, | Motakis i Pelczar-Barwacz uzyskali takie algebry jako szczególne przypadki ogólniejszej konstrukcji. Dla są to nieskończenie wymiarowe refleksywne algebry Calkina, a dla algebra ilorazowa jest jako przestrzeń Banacha izomorficzna z przestrzenią Hilberta. |
Konstrukcje Tarbarda podane w tabeli są rzeczywiste; ich kompleksyfikacje dają realizacje odpowiednio i zespolonej algebry jako algebr Banacha. Wcześniejszy wynik Motakisa, Puglisiego i Zisimopoulou z 2016 roku obejmował dla przeliczalnych zwartych przestrzeni metrycznych.
Refleksywność w ostatnim wierszu dotyczy algebry ilorazowej, nie przestrzeni 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.
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 istnieją algebry Banacha z jedynką o gęstości nie większej niż których nie można zrealizować jako algebr Calkina przestrzeni Banacha o gęstości 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 ani z dla żadnej przestrzeni Banacha W tym wyniku nie zakłada się ośrodkowości przestrzeni realizującej.
W tej części przez automorfizm rozumie się *-automorfizm zespolonej C*-algebry Jest on wewnętrzny, jeżeli istnieje element unitarny taki, że
Automorfizm, który nie jest wewnętrzny, nazywa się zewnętrznym. Element należy tu do algebry ilorazowej; nie wymaga się, aby miał unitarnego reprezentanta w .
N. Christopher Phillips i Nik Weaver udowodnili, że hipoteza continuum (CH) pociąga za sobą istnienie 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.
Odrębnym zagadnieniem jest to, które C*-algebry można zanurzyć w za pomocą różnowartościowego *-homomorfizmu. Farah, Hirshberg i Vignati udowodnili w ZFC, że każda C*-algebra o gęstości nie większej niż 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 liczb Cohena algebra
nie zanurza się w algebrze Calkina. Symbol oznacza algebrę funkcji znikających w nieskończoności na zbiorze o mocy a – algebrę ograniczonych ciągów jej elementów, z działaniami współrzędnymi. Samo 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.