Kurs:Topologische Invertierbarkeitskriterien/P-Regularität über p-Normen

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Einführung[Bearbeiten]

Wenn wir die -Regularität eines Elementes für eine lokalbeschränkte topologische Algebra sprechen, suchen wir nach einer lokalbeschränkten Algebraerweiterungen von in der invertierbar ist. Dabei reicht es nach dem Korrespondenzsatz p-Halbnormen zeigen, dass eine normierte Algebraerweiterung, dass die Algebraerweiterung

  • durch eine -Norm topologisiert werden kann oder (alternativ)
  • die Topologe durch eine Quasinorm erzeugt werden kann

Analog zur Vollständigkeit bei Banachalgebren verändert das die Eigenschaft der Vollständigkeit das Vorgehen nicht, denn ist ein aus in einer lokalbeschränkten Algebra invertierbar, die nicht vollständig ist, dann vervollständig man ggf. die Algebraerweiterung zu .

Zielsetzung[Bearbeiten]

Zielsetzung einer lokalbeschränkten Algebraerweiterung zu einer gegebenen topologischen Algebra mit ist es, die gegebene lokalbeschränkte Algebraerweiterung so zu vergrößern, dass diese ein inverses Element in der lokalbeschränkten Algebraerweiterung besitzt. Als topologieerzeugende -Gaugefunktionale werden hier -Normen und verwendet.

Charakterisierung der P-Regulärität[Bearbeiten]

Der folgende Beweis zeigt die folgende Äquivalenz für kommuntative lokalbeschränkte Algebren mit einer -Norm :

  • permanent singulär (topologischer Nullteiler)
  • -regulär es gibt ein mit für alle

Veranschaulichung[Bearbeiten]

Algebraerweiterung von ist hier wieder eine Banachalgebra, die ein inverses Element zu einem gegebenen enthält.

Algebraerweiterung


Lokalbeschränkte Algebraerweiterung:[Bearbeiten]

Sei die Klasse der lokalbeschränkten unitalen Algebren und . Die Algebraerweiterung bzw. -Erweiterung von benötigt nach Definition es einen Algebraisomorphismus mit:

  • , wobei ist das Einselement von und das Einselement von ist.
  • ist homöomorph zu ; d.h. und sind stetig.

Veranschaulichung - Algebraisomorphismus[Bearbeiten]

Algebraerweiterung - Einbettung

Algebraisomorphismus - Einbettung in die Algebraerweiterung[Bearbeiten]

  • Im allgemeinen identifiziert man mit und schreibt . In der jeweiligen Konstruktion der Algebraerweiterung sieht man, dass die Element aus mit Elementen in einem Quotientenraum identifiziert werden.
  • Sei eine Nullumgebungsbasis der Relativtopologie von auf und eine Nullumgebungsbasis von , dann kann man die Homöomorphie zwischen und wie immer über die Topologie ausdrücken:

Stetigkeit über p-Norm[Bearbeiten]

Betrachtet man die p-Normen und für Nullumgebungen, so lassen sich die oberen beiden Aussagen wie folgt umformulieren (siehe auch Stetigkeitssatz für lineare Abbildungen):

Kommuntative Algebren und deren Algebraerweiterung[Bearbeiten]

Wir betrachten zunächst kommuntative Algebren . Die Konstruktion der Algebraerweiterung induziert die Kommuntativität auch auf die Polynomalgebren und letztlich auf die gesuchte Algebraerweiterung . Ohne die Kommunitativität liefern die Charakterisierungssätze zunächst nur linksinverse bzw. rechtsinverse Elemente.

Beweisidee[Bearbeiten]

Der Beweis für einen -normierbaren Raum kann analog zur Banachalgebraerweiterungen der -Regularität (nach Arens 1958[1]) geführt werden.

Veranschaulichung Beweisidee[Bearbeiten]

Bei der Konstruktion der Algebraerweiterung, in der ein invertierbar ist, wird in einem ersten Schritt die Algebra der Polynome betrachtet. Die folgende Abbildung zeigt, wie die Algebraerweiterung über die Polynomalgebra konstruiert wird.

Algebraerweiterung und Polynomalgebren mit Koeffizienten in A

Beweisidee 1 - Konstruktion der Algebraerweiterung[Bearbeiten]

  • Ausgehend von wird die Polynomalgebra mit einer p-Norm topologisiert und die p-Norm macht zu einer topologischen Algebra, wobei die Stetigkeit der Cauchy-Multiplikation nachzuweisen ist.
  • Übergang zu dem Quotientenraum , wobei das Polynom das Hauptideal definiert und ein Repräsentant des Nullvektors in ist.

Beweisidee 2 - Konstruktion der Algebraerweiterung[Bearbeiten]

Die Konstruktion des Ideals liefert die algebraische Invertierbarkeit, denn mit ist das inverse Element zu mit mit bzw. . Die Kommutativität liefert dann, dass auch gilt.

Normierte Polynomalgebra[Bearbeiten]

Wir betrachten nun zu einer gegeben Banachalgebra die Menge der Polynome mit Koeffizienten in .

und Potenzreihen mit Koeffizienten in der Algebra

Grad von Polynomen[Bearbeiten]

Zunächst einmal würde man Polynome formal eher in der obigen Form mit notieren und mit würde den Grad des Polynoms angeben. Für das Cauchyprodukt von zwei Polynomen ist diese Schreibweise allerdings ungeeignet, da bei der Addition und Multiplikation zwei Polynomen die Handhabung des Grades zusätzlichen formalen Aufwand nach sich zieht, der aber für die weitern Betrachtungen von Algebraerweiterungen keine Rolle spielt.

Schreibweise für die Polynomalgebra[Bearbeiten]

Daher werden die Polynome wie folgt über "endliche" Folgen definiert, die ab einer Indexschranke nur noch aus dem Nullvektor in besteht.

Topologischer Nullteiler[Bearbeiten]

Wenn ein topologischer Nullteiler in ist (z\in ), gilt:

Aus der Negation der Eigenschaft erhält man eine Konstante mit:

Topologisierung der Polynomalgebra[Bearbeiten]

Die wird nun mit einer Folge mit einer positiven Konstanten topologisiert, wobei die Konstante sich aus der Eigenschaft ergibt, dass topologischer Nullteiler ist.

sind abbrechende Folgen in , bei denen ab einer Indexschranke nur noch der Nullvektor als Folgenglied auftritt.

Stetigkeit der Multiplikation[Bearbeiten]

Für eine gegebene feste positive Konstante kann man die Folge wie folgt definieren:

p-Homogenität[Bearbeiten]

Die Eigenschaft der -Homogenität überträgt sich von auf , denn:

Dreiecksungleichung p-Norm - Stetigkeit der Addition[Bearbeiten]

Die Eigenschaft der -Homogenität überträgt sich ebenfalls von auf , denn mit :

Cauchy-Produkt 1 - Stetigkeit der Multiplikation[Bearbeiten]

Betrachtet man zwei Polynome in dem -normierten Raum .

Dann liefert die Definition der Norm für das Produkt :

Cauchy-Produkt 2 - Stetigkeit der Multiplikation[Bearbeiten]

Die gegebene -Norm sei ohne Einschränkung submultiplikativ mit

Topologisierung der Algebraerweiterung[Bearbeiten]

Die -Norm auf der Polynomalgebra induziert auch die -Norm auf dem Quotientenraum mit . Sowohl , und sind dann lokalbeschränkte topologische Algebren, wobei alle -Normen bzgl. des gleichen dann Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „http://localhost:6011/de.wikiversity.org/v1/“:): {\displaystyle p} -homogen sind.

Abgeschlossenes Hauptideal in der Polynomalgebra[Bearbeiten]

Für das gegebene in der kommutativen lokalbeschränkten topologische Algebren definiert man ein Polynom mit , wobei das Einselement der Multiplikation in ist. Als Ideal definiert man als abgeschlossenes Hauptideal in . Als Untervektorraum wäre der Quotientenraum auch ein Vektorraum. Die zusätzliche Eigenschaft des Ideals sorgt dafür, dass auch die Multiplikation auf dem Quotientenraum wohldefiniert ist.

Topologisierung des Quotientenraumes Algebraerweiterung[Bearbeiten]

Die Algebraerweiterung wird mit einer Quotienten-p-Norm versehen, die wie folgt definiert ist:

Dabei bezeichnen man die Nebenklassen in Kurzform mit , wobei diese Mengen wie folgt definiert sind:

Man muss hier keine Linknebenklassen und Rechtnebenklassen unterscheiden, da die Addition in einem Vektorraum kommuntativ ist.

Stetigkeit Algebrahomomorphismus[Bearbeiten]

Sei beliebig gewählt, dann gilt mit der Norm auf dem Quotientenraum die folgende Abschätzung

Damit ist stetig (siehe Stetigkeitssatz für lineare Abbildungen).

Struktur der Polynome aus dem Ideal[Bearbeiten]

Betrachten nun das Bild von in . Sei nun gegeben und man betrachtet die Abschätzung für ein beliebiges mit mit . Dabei gilt:

Homöomorphie der Einbettung[Bearbeiten]

Nun ist die Algebraerweiterung topologisiert und es ist noch nachzuweisen, dass die bijektive Abbildung und als lineare Abbildungen stetig sind (siehe Stetigkeitssatz für lineare Abbildungen)

Stetigkeit der Einbettung von A in B[Bearbeiten]

Für die Stetigkeit der Umkehrabbildung gilt bzgl. dem Nullpolynom :

Insgesamt ist der Algebraisomorphismus der Einbettung von in eine Isometrie mit .

Stetigkeit der Umkehrabbildung der Einbettung 1[Bearbeiten]

Unter Verwendung der Abschätzung erhält man

Stetigkeit der Umkehrabbildung der Einbettung 2[Bearbeiten]

Durch Infimumbildung über alle Polynome bleibt die obige Ungleichung erhalten.

Invertierbarkeit in der Algebraerweiterung[Bearbeiten]

Wir betrachteten eine kommutative lokalbeschränkte Algebra über dem Körper .

Neutrales Element der Multiplkation und Addition[Bearbeiten]

  • Die Abbildung mit bettet ein hömöomorph in die Algebraerweiterung von ein.
  • Das Element ist das neutrale Element der Multiplikation in mit der Multiplikation .
  • Da das Polynom das abgeschlossene Hauptideal erzeugt, ist ein Repräsentant des Nullvektor in

Invertierbarkeit von z[Bearbeiten]

Mit erhält man eine Element im Quotientenraum und ist ein Repräsentant des inversen Elementes von bzw., denn es gilt mit auch . Mit Umformung in gilt dann mit der Kommuntativität von und auch:

Siehe auch[Bearbeiten]

Quellennachweis[Bearbeiten]

  1. Arens R., Inverse producing extensions of normed algebras, Trans. Amer. Math. Soc. 88, (1958), S. 536-548

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