인자 대수

함수해석학에서 인자 대수(因子代數, 영어: factor algebra)는 ‘분해’되지 못하는 폰 노이만 대수이다. 모든 폰 노이만 대수는 이를 구성하는 인자 대수들로 유일하게 표현된다. 양자역학에서, 인자 대수는 물리계를 구성되는 국소화된 ‘요소’로 해석된다. 폰 노이만 대수 A {\displaystyle A} 에 대하여 다음 세 조건이 서로 동치이며, 이를 만족시키는 폰 노이만 대수를 인자 대수라고 한다. Z ⁡ ( A ) = C 1 A {\displaystyle \operatorname {Z} (A)=\mathbb {C} 1_{A}} . 즉, A {\displaystyle A} 의 중심은 모두 1의 스칼라배이다. 어떤 복소수 힐베르트 공간 표현 A ↪ B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle A\hookrightarrow \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 에 대하여, A ∩ C B ⁡ ( H , H ) ⁡ ( A ) = C {\displaystyle A\cap \operatorname {C} _{\operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})}(A)=\mathbb {C} } 이다. 어떤 복소수 힐베르트 공간 표현 A ↪ B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle A\hookrightarrow \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 에 대하여, C B ⁡ ( H , H ) ⁡ ( C B ⁡ ( H , H ) ⁡ ( A C B ⁡ ( H , H ) ⁡ ( A ) ) ) = B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle \operatorname {C} _{\operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})}(\operatorname {C} _{\operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})}(A\operatorname {C} _{\operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})}(A)))=\operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 이다. 여기서 H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 는 어떤 복소수 힐베르트 공간이다. B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 는 H → H {\displaystyle {\mathcal {H}}\to {\mathcal {H}}} 유계 작용소의 폰 노이만 대수이다. C B ⁡ ( H , H ) ⁡ ( − ) {\displaystyle \operatorname {C} _{\operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})}(-)} 는 B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 속에서 취한 중심화 부분환이다. 위 세 조건 가운데, 마지막 조건은 H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 위의 모든 유계 작용소를 A {\displaystyle A} 의 원소 및 A {\displaystyle A} 와 가환하는 원소들의 곱들의 열의 (약한 작용소 위상 또는 강한 작용소 위상에서의) 극한으로 나타낼 수 있다는 뜻이다. 다시 말해, H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 를 상태 공간으로 하는 양자 역학 계는 A {\displaystyle A} 에 속하는 관찰 가능량들과 A {\displaystyle A} 와 ‘분리된’ (즉, 가환하는) 관찰 가능량들로 구성되며, A {\displaystyle A} 는 B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 를 구성하는 ‘인자’로 여길 수 있다. C* 대수 A {\displaystyle A} 의 원소 a ∈ A {\displaystyle a\in A} 가운데, a = a 2 = a ∗ {\displaystyle a=a^{2}=a^{*}} 인 것을 사영원(射影元, 영어: projection)이라고 하고, 사영원들의 집합을 Proj ⁡ ( A ) {\displaystyle \operatorname {Proj} (A)} 로 표기하자. 복소수 힐베르트 공간 H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 위에 표현된 폰 노이만 대수 A ⊆ B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle {\mathcal {A}}\subseteq \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 의 사영원 A ∈ A {\displaystyle A\in {\mathcal {A}}} 의 상 A H ⊆ H {\displaystyle A{\mathcal {H}}\subseteq {\mathcal {H}}} 으로 나타내어지는 부분 공간을 A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 에 속하는 부분 공간이라고 하자. 그렇다면, 이는 A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 의 사영원들의 집합과 A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 에 속하는 부분 공간들의 집합 사이에 일대일 대응을 정의한다. 폰 노이만 대수 A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 의 두 사영원 A , B ∈ A {\displaystyle A,B\in {\mathcal {A}}} 에 대하여, 만약 A = C C ∗ {\displaystyle A=CC^{*}} 이자 B = C ∗ C {\displaystyle B=C^{*}C} 인 C ∈ A {\displaystyle C\in {\mathcal {A}}} 가 존재한다면, A {\displaystyle A} 와 B {\displaystyle B} 가 서로 머리-폰 노이만 동치(영어: Murray–von Neumann equivalent)라고 하고, A ∼ B {\displaystyle A\sim B} 로 표기하자. 이는 A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 의 사영원들의 집합 위의 동치 관계를 이룬다. A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 의 사영원들의 집합 위에 다음과 같은 원순서를 정의할 수 있다. A ≲ B ⟺ ∃ C ∈ Proj ⁡ ( A ) : A ∼ C , C H ⊆ B H {\displaystyle A\lesssim B\iff \exists C\in \operatorname {Proj} ({\mathcal {A}})\colon A\sim C,\;C{\mathcal {H}}\subseteq B{\mathcal {H}}} 폰 노이만 인자의 경우, 이는 사실 사영원들의 머리-폰 노이만 동치류들의 집합 위의 전순서를 이룬다. A {\displaystyle {\mathcal {A}}} 의 사영원 A ∈ Proj ⁡ ( A ) {\displaystyle A\in \operatorname {Proj} ({\mathcal {A}})} 가운데 다음 조건을 만족시키는 것을 유한 사영원(영어: finite projection)이라고 한다. ∀ B ∈ Proj ⁡ ( A ) : B H ⊊ A H ⟹ B ≁ A {\displaystyle \forall B\in \operatorname {Proj} ({\mathcal {A}})\colon B{\mathcal {H}}\subsetneq A{\mathcal {H}}\implies B\not \sim A} 인자들은 통상적으로 Ⅰ종 · Ⅱ1종 · Ⅱ∞종 · Ⅲ종으로 분류된다. 이들의 정의는 각각 다음과 같다. Ⅰ종 인자 A {\displaystyle A} 의 경우, Proj ⁡ ( A ) ∖ { 0 } {\displaystyle \operatorname {Proj} (A)\setminus \{0\}} 은 최소 원소를 갖는다. 즉, 가장 작은, 0이 아닌 사영원 동치류가 존재한다. Ⅱ종 인자는 Ⅰ종 인자가 아니며, 0이 아닌 유한 사영원을 갖는다. Ⅱ1종 인자에서, 항등원은 유한 사영원이다. Ⅱ∞종 인자에서, 항등원은 유한 사영원이 아니다. Ⅲ종 인자는 Ⅰ종 인자나 Ⅱ종 인자가 아니다. 이들에 대해서는 각각 다음과 같은 구조 정리가 알려져 있다. Ⅱ1종 인자는 일반적으로 복잡하다. Ⅱ∞종 인자는 항상 Ⅰ종 인자와 Ⅱ1종 인자로부터 구성될 수 있다. Ⅲ종 인자는 항상 Ⅱ1종 인자로부터 구성될 수 있다. 즉, 폰 노이만 대수의 분류는 사실상 Ⅱ1종 인자의 분류로 귀결된다. Ⅰ종 인자 대수는 어떤 복소수 힐베르트 공간 H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 에 대하여 B ⁡ ( H , H ) {\displaystyle \operatorname {B} ({\mathcal {H}},{\mathcal {H}})} 와 C* 대수로서 동형이다. 구체적으로, 복소수 힐베르트 공간 H {\displaystyle {\mathcal {H}}} 의 임의의 단위 벡터 | v ⟩ ∈ H {\displaystyle |v\rangle \in {\mathcal {H}}} 에 대하여, | v ⟩ ⟨ v | {\displaystyle |v\rangle \langle v|} 는 0이 아닌 유한 사영원이다. 복소수 힐베르트 공간은 그 힐베르트 차원에 의하여 완전히 분류된다. 차원이 기수 κ {\displaystyle \kappa } 일 때, 이에 대응하는 Ⅰ종 인자 대수를 I κ {\displaystyle \operatorname {I} _{\kappa }} 형이라고 한다. (분해 가능 복소수 힐베르트 공간의 경우 차원이 가산 기수이다. 이 경우 ℵ 0 {\displaystyle \aleph _{0}} 차원 경우는 보통 I ∞ {\displaystyle \operatorname {I} _{\infty }} 으로 표기된다.) Ⅱ∞종 인자 대수는 항상 Ⅱ1종 인자 대수와 무한 차원 Ⅰ종 인자 대수의 텐서곱으로 표현될 수 있다. Ⅲ종 인자의 분류 이론은 도미타-다케사키 이론이라고 한다. 구체적으로, 도미타-다케사키 이론에서는 각 폰 노이만 대수 A {\displaystyle A} 에 대하여 어떤 음이 아닌 실수 집합 S ⁡ ( A ) ⊆ [ 0 , ∞ ) {\displaystyle \operatorname {S} (A)\subseteq [0,\infty )} 를 대응시키며, 이를 A {\displaystyle A} 의 콘 스펙트럼(영어: Connes spectrum)이라고 한다. 만약 A {\displaystyle A} 가 Ⅲ종 인자 대수일 경우, 가능한 콘 스펙트럼들은 다음과 같다. S ⁡ ( A ) ∖ { 0 } = { 1 } {\displaystyle \operatorname {S} (A)\setminus \{0\}=\{1\}} . 이는 Ⅲ0종 인자 대수라고 한다. S ⁡ ( A ) ∖ { 0 } = { … , λ − 2 , λ − 1 , 1 , λ , λ 2 , λ 3 , … } ( 0 < λ < 1 ) {\displaystyle \operatorname {S} (A)\setminus \{0\}=\{\dotsc ,\lambda ^{-2},\lambda ^{-1},1,\lambda ,\lambda ^{2},\lambda ^{3},\dotsc \}\quad (0<\lambda <1)} . 이는 Ⅲλ종 인자 대수라고 한다. S ⁡ ( A ) ∖ { 0 } = R + {\displaystyle \operatorname {S} (A)\setminus \{0\}=\mathbb {R} ^{+}} . 이는 Ⅲ1종 인자 대수라고 한다. ( S ⁡ ( A ) ∖ { 0 } {\displaystyle \operatorname {S} (A)\setminus \{0\}} 은 항상 R + {\displaystyle \mathbb {R} ^{+}} 의 닫힌 부분군이므로 다른 가능성은 존재하지 않는다.) 인자 대수의 개념 및 Ⅰ종· Ⅱ종·Ⅲ종 인자 대수로의 분류는 존 폰 노이만과 프랜시스 조지프 머리(영어: Francis Joseph Murray, 1911~1996)가 양자역학을 분석하기 위하여 도입하였다. 도미타-다케사키 이론을 통한 Ⅲ종 인자 대수의 분류는 알랭 콘이 1976년에 완료하였다. Murray, Francis Joseph; von Neumann, John (1936). “On rings of operators”. 《Annals of Mathematics》 (영어) 37 (1): 116–229. doi:10.2307/1968693. JSTOR 1968693.  Connes, A. (1976). “Classification of Injective Factors”. 《Annals of Mathematics》. Second Series (영어) 104 (1): 73–115. doi:10.2307/1971057. JSTOR 1971057.  Yngvason, Jakob (2004). “The role of Type I factors in quantum field theory” (영어). arXiv:math-ph/0411058.  “Factor algebra”. 《Encyclopedia of Mathematics》 (영어). Springer-Verlag. 2001. ISBN 978-1-55608-010-4.  “Von Neumann algebra factor”. 《nLab》 (영어).