Gelfand-Naimark-Segal-konstruktionen

GNS-konstruktionen er et af funktionalanalysens fundamentale resultater, og det er essentielt for den algebraiske tilgang til kvantefeltteori. For en C*-algebra A, findes der ifølge Gelfand–Naimark–Segal konstruktionen en sammenhæng mellem cykliske *-repræsentationer af A og visse lineære funktionaler på A (kaldet tilstande). Givet en tilstand kan *-repræsentationen eksplicit konstrueres. Selve proceduren kaldes GNS-konstruktionen og er navngivet efter de tre matematikere Israel Gelfand, Mark Naimark og Irving Segal.

Tilstande og repræsentationer 
I det følgende er A en unital C*-algebra.
En lineær funktional φ: A → ℂ er positiv hvis φ(a) ≥ 0 for alle positive elementer i A. Funktionalen φ kaldes en tilstand dersom φ er positiv (φ ≥ 0) og φ(1) = 1. Denne terminologi har sin oprindelse fra forbindelsen mellem C*-algebraer og kvantefysik.

En *-repræsentation af en (unital) C*-algebra A på et Hilbertrum H er en (unital) *-homomorfi
π fra A til algebraen af begrænsede operatorer på H

Repræsentationen π kaldes tro, hvis den er injektiv.

GNS-par 
Lad φ være en positiv lineær funktional på A. Et GNS-par for (A,φ) er da et par (π,ξ) bestående af en repræsentation π af A på et Hilbertrum H og en vektor ξ∈ H således at
  (cyklisk)
  for alle a∈A
For et par (π,ξ), der opfylder den første betingelse kaldes ξ en cyklisk vektor og π en cyklisk repræsentation.

To GNS-par (π,ξ) og (π',ξ') siges at være ækvivalente hvis der findes en unitær operator W: H → H således at Wξ = ξ' og Wπ(a) = π'(a)W for a∈A.

Bemærk: Vi har defineret det indre produkt, så det er lineært i første argument og anti-lineært i andet argument. I fysik-litteraturen defineres det oftest modsat.

 GNS-konstruktionen 
Lad π være en *-repræsentation af en C*-algebra A på et Hilbertrum H med cyklisk vektor ξ med enhedsnorm. Så er

en tilstand på A.
Implikationen gælder begge veje: Enhver tilstand på en C*-algebra er på formen givet ovenfor. Det er et resultat af GNS-konstruktionen:

 Teorem. For alle positive funktionaler på en unital C*-algebra A, findes der et GNS-par, dvs. en 
         *-repræsentation π og en cyklisk vektor ξ, og det er entydigt op til ækvivalens. 

Konstruktionen er som følger: Via tilstanden φ kan vi definere et præ-indre produkt, givet ved

Det er et præ-indre produkt, da  kan ske uden at x = 0. Det kan vises at det præ-indre produkt opfylder Cauchy–Schwarz uligheden. Det tillader os at vise at vektor underrummet defineret ved

er et venstre-ideal i A.

På kvotientrummet af A med vektor underrummet N er det præ-indre produkt et ægte indre produkt. Ved Cauchy completion af A/N i kvotientnormen fås et Hilbertrum H. Den cykliske vektor i H er da givet ved ækvivalensklassen 1, dvs. ξ=[1'''].

Vi mangler at konstruere π. Tag a∈A, og definér

ved
.
Da N er et ideal, gælder der , og der induceres en operator

ved
.
Det kan vises at  er begrænset, og derfor kontinuert. Den kan derfor entydigt udvides til en operator . Det er klart at π er en algebra-homomofi, og at π er *-bevarende ses ved at bemærke at

hvor η = [x} og ζ = [y]. Ved at skrive begge sider ud fås φ(y*ax). Med andre ord er π(a)* = π(a*).

Tilsammen udgør (π,ξ) et GNS-par for φ, idet:

som tydeligvis er tæt i H, og
.

For at vise at GNS-parret er entydigt, ser vi på et andet GNS-par (π',ξ') for φ. Ud fra egenskaberne for et GNS-par kan vi vise at der findes en entydig isometri W0 fra det tætte underrum π(A)ξ på π'(A)ξ' defineret ved W0: π(a)ξ ↦ π'(a)ξ', da der for alle a∈A gælder
.
Isometrien W0 kan entydigt udvides til en unitær operator W: H → H, og det ses at Wξ = ξ' og Wπ(a) = π'(a)W på det tætte mængde af vektorer π(A)ξ⊆H. Det følger hermed at (π,ξ) og (π',ξ') er ækvivalente.

GNS-konstruktionen er en af hovedingredienserne i beviset af Gelfand–Naimark teoremet, der karakteriserer unitale C*-algebraer som C*-algebraer af operatorer på et eller andet Hilbertrum. Med andre ord, en C*-algebra har tilstrækkelig mange tilstande, således at den direkte sum af de tilsvarende GNS repræsentationer er en tro *-isomorfi.

 Generalisering 

Stinespring factorization theoremet, der karakteriserer fuldstændige positive afbildninger, er en vigtig generalisering af GNS-konstruktionen.

 Historie 
Gelfand og Naimarks artikel om Gelfand–Naimark teoremet blev publiceret i 1943. Segal bemærkede den implicitte konstruktion i artiklen og frembragte den eksplicitte form.

Segal viste i en artikel fra 1947, at det var tilstrækkeligt for et hvilket som helst fysisk system, som kan beskrives ved en algebra af operatorer på et Hilbertrum, at betragte irreducible repræsentationer af C*-algebraen. I kvanteteorier betyder dette, at C*-algebraen er genereret af observable. Dette var tidligere blevet vist af John von Neumann for den ikke-relativistiske Schrödinger-Heisenberg teori.

 Referencer 

 William Arveson, An Invitation to C*-Algebra, Springer-Verlag, 1981, og A short course on Spectral Theory.
 Jacques Dixmier, Les C*-algèbres et leurs Représentations, Gauthier-Villars, 1969.English translation: 
 Thomas Timmermann, An invitation to quantum groups and duality: from Hopf algebras to multiplicative unitaries and beyond, European Mathematical Society, 2008,  – Appendix 12.1, section: GNS construction (p. 371)
 Stefan Waldmann: On the representation theory of deformation quantization, In: Deformation Quantization: Proceedings of the Meeting of Theoretical Physicists and Mathematicians, Strasbourg, May 31-June 2, 2001 (Studies in Generative Grammar) '', Gruyter, 2002, , p. 107–134 – section 4. The GNS construction (p. 113)

Referencer i teksten

Funktionalanalyse
C*-algebra
Kvantefeltteori
Matematisk fysik

ru:Алгебраическая квантовая теория