Kurs:Topologische Invertierbarkeitskriterien/Topologisch große Potenzen

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Einführung

Aus der Negation der Definition von topologisch kleinen Potenzen erhält man für z𝒯𝒦𝒫(A), dass es für alle α𝒜 ein β𝒜 und Konstanten Dk(α)>0 gibt, sodass für alle xA gilt:

xαDk(α)zkxβ

(siehe topologisch kleine Potenzen)

Definition: Topologische große Potenzen

Sei (A,𝒜) ein unitale topologische Algebra. Ein zA besitzt topologisch große Potenzen (z𝒯𝒢𝒫(A)), wenn es für alle α𝒜 ein β𝒜 und Konstanten Dk(α)>0 gibt, sodass für alle xA gilt:

xαDk(α)zkxβ

Bemerkung

Damit gilt unmittelbar 𝒯𝒢𝒫(A)=A𝒯𝒦𝒫(A), weil die 𝒯𝒢𝒫-Eigenschaft als Negation der Eigenschaft, topologisch kleine Potenzen zu besitzen, formuliert wurde.

Topologisch kleine / große Potenzen

Ein Element zA aus einer topologischen Algebra (A,𝒜)𝒦 besitzt genau dann rechtsseitig topologisch kleine Potenzen, wenn es ein α𝒜 gibt, so dass für alle β𝒜 ein k(β) mit

infxα=1zk(β)xβ=0

existiert. Dies ist die Negation für die Eigenschaft, dass z topologisch große Potenzen besitzt - z𝒯𝒢𝒫(A)).

TGP-Kriterium

Ein Element zA besitzt genau topologisch große Potenzen in (A,𝒜)𝒦ek, zA ( z𝒯𝒢𝒫(A), wenn es für alle α𝒜 ein β𝒜 und eine isotone Folge von Gaugefunktionalen ((α,k))k0 mit positiven Konstanten D(α,k) gibt, für die gilt:

  • (R1)xαx(α,k)D(α,k)xβ für alle xA und k0 und
  • (R2) x(α,k)zx(α,k+1) für alle xA und k0.

Beweis

Die Beweisführung basiert auf der Verwendung der topologischen Eigenschaft z𝒯𝒢𝒫(A), um eine Eindeutigkeit der Komplementärteiler y von Potenzen zk für die multiplikative Zerlegung zky=x für ein gegebenes xA zu erhalten, wenn diese existiert. Die Teilermenge Tk(x) der Komplementärteiler von Potenzen zi zu xA mit i{0,1,k} wird dann verwendet, um die 𝒦-Funktionale (α,k) zu definieren.

Beweisidee

Es ist eine Äquivalenz von z𝒯𝒢𝒫(A) und den beiden Ungleichung aus dem Kriterium zu zeigen.

  • In Beweisteil (1) startet man mit z𝒯𝒢𝒫(A) und zeigt (R1) und (R2).
  • In Beweisteil (2) startet man mit (R1) und (R2) als Vorausetzung und zeigt z𝒯𝒢𝒫(A).

Folge der Konstanten

Ist zusätzlich zum obigen Satz eine weitere Folge (Ck)k0 gegeben, so kann man die Konstantenfolgen (Dk(α))k0 ohne Einschränkung so wählen, dass diese

  • monoton wachsend (d.h. Dk(α)+D(α,k)Dk+1(α) für alle k0) und
  • CkDk(α)

gilt.

Grund für Isotonie und Majorante

Der Grund für die Konstruktion der Konstantenfolgen (Dk(α))k0 mit den vorher genannten Eigenschaften ist die Notwendigkeit, dass man bei der Stetigkeit des Algebraisomorphismus Konstanten für die Gaugefunktionale in der Polynomalgebra abschätzen muss. Genauer gesagt, Koeffizienten der Form zqk1A für tk mit einem Gaugefunktional mit Koeffizenten qk1A für tk1 abschätzen. Dabei muss gleichzeitig die Stetigkeit der Addition und Multiplikation erfüllt sein. Dabei muss die Konstantenfolge zusätzliche Eigenschaften berücktsichtigen, die über die Eigenschaft CkDk(α) in das TGP-Kriterium integriert werden können.

(1.1) Negation - Topologische kleine Potenzen

Aus z𝒯𝒢𝒫(A) erhält man über die Negation der 𝒯𝒦𝒫-Definition für z𝒯𝒦𝒫(A) die Aussage, dass es für alle α𝒜 ein β𝒜 und Konstanten Dk(α)>0 gibt, sodass für alle xA gilt:

xαDk(α)zkxβ

(1.2) Stetigkeit der Multiplikation

Über die Stetigkeit der Multiplikation zu dem β𝒜 ein γ𝒜 mit

(1.3) Teilerdefinition in Algebren

zA ist eine Teiler von xA genau dann, wenn es einen Komplementärteiler yA gibt, mit zy=x.

Analog erhält man zkA ist eine Teiler von xA genau dann, wenn es einen Komplementärteiler yA gibt, mit zky=x.

(1.4) Eindeutigkeit der Komplementärteiler

Der Komplementärteiler yA von xA bzgl. zkA ist mit der Regularitätsbedingung eindeutig bestimmt. Angenommen, es gibt zwei unterschiedliche Komplementärteile y1=y2 mit zky1=x und zky2=x, so gibt es mit der Hausdorff-Eigenschaft ein α𝒜 mit:

0<y1y2α

(1.5) Abschätzung mit der TKP-Regularitätsbedingung

Abschätzung mit der TKP-Regularitätsbedingung führt zum Widerspruch, denn es gilt

0<y1y2αDk(α)zk(y1y2)β=Dk(α)zky1zky2β=Dk(α)xxβ=0

(1.6) Definition von Teilermengen

Nun definiert man mit der Eindeutigkeit der Komplementärteiler zu zk bzgl. xA folgende Mengen:

Tk(x):={yA:i{0,,k}ziy=x}

(1.7) Eigenschaften der Teilermengen

  • Tk(x)= für alle k0 und xA, denn x=eAx=z0x.
  • Tk(x)Tk+1(zx), denn für yTk(x) gibt es ein i{0,,k} mit ziy=x. Damit gilt die Gleichung zi+1y=zx auch für 0i(k+1) und man erhält yTk+1(x)
  • |Tk(x)|k+1, denn mit der Eindeutigkeit der Komplementärteiler von x bzgl. zi und i{0,,k} kann es maximal k+1 Teiler von x in Tk(x) geben.

(1.8) Definition ein Folge von Gaugefunktionalen

Mit der Eigenschaft z𝒯𝒦𝒫(A) definiert man eine Sequenz von Gaugefunktionalen.

x(α,k):=maxyTk(x)yα

(1.9) Ungleichung für Folge von Gaugefunktionalen

zx(α,k+1)=maxyTk+1(zx)yαmaxyTk(x)yα=x(α,k)

(1.10) Erstes Gaugefunktional in der Sequenz

Das erste Gaugefunktional für k=0 in der Sequenz stimmt mit α überein, denn mit x=eAx=z0x gilt:

  • T0(x)={x}
  • x(α,0)=maxyT0(x)yα=xα

(1.11) Isotonie der Sequenz

Die Isotonie der Sequenz (x(α,k))k0 von Gaugefunktionalen ergibt sich unmittelbar aus der Definition und Tk(x)Tk+1(x):

x(α,k)=maxyTk(x)yαmaxyTk+1(x)yα=x(α,k+1)

(1.12) Abschätzung der Sequenz nach oben

Die Isotonie der Sequenz (x(α,k))k0 von Gaugefunktionalen ergibt sich unmittelbar aus der Definition:

x(α,k)=maxyTk(x)yαmaxyTk(x)Di(α)Dk(α)ziyxβDk(α)xβ

(1.13) Homogenität

Die Homogenität der Funktionale aus der Sequenz (x(α,k))k0 ergibt sich unmittelbar aus der Definition denn mit x=ziy gilt auch λx=zi(λy):

λx(α,k)=maxyTk(x)λyα=|λ|maxyTk(x)yα=|λ|x(α,k)

(2) Umgekehrte Beweisrichtung

Existiert nun zu jedem α𝒜 ein β𝒜 und eine isotone Folge von 𝒦-Funktionalen ((α,k))k0 mit positiven Konstanten Dk(α) gibt, für die gilt:

  • (R1) xαx(α,k)Dk(α)xβ für alle xA und k0 und
  • (R2) x(α,k)zx(α,k+1) für alle xA und k0

(2.1) Umgekehrte Beweisrichtung - Einsetzen in Sequenz

Durch Einsetzung erhält man z𝒯𝒢𝒫(A) durch folgende Ungleichungskette:

xαzx(α,1)zkx(α,k)Dk(α)zkxβ

(2.2) Stetigkeit der Multiplkation

Mit der Stetigkeit der Multiplikation kann man die Potenz auch noch weiter nach ober abschätzen, denn es gilt:

xαDk(α)zkxβDk(α)zkγxγ

Damit folgt insgesamt folgt die Behauptung.

PC-Regularitätslemma

Sei zA 𝒫𝒞ek-regulär in (A,𝒜)𝒫𝒞ek, dann gibt es für alle α𝒜 ein β𝒜 und eine isotone Folge von Quasihalbnormen ((α,k))k0 mit der Stetigkeitskonstante der Addition Kα1 und positive Konstanten D(α,k) gibt, für die gilt:

  • (PC1) xαx(α,k)D(α,k)xβ für alle xA und k0 und
  • (PC2) x(α,k)zx(α,k+1) für alle xA und k0.

Beweis

Das Element zA sei ein 𝒫𝒞ek-reguläres Element in Algebra A und in einer Algebraerweiterung (B,||𝒜~)𝒫𝒞ek von (A,𝒜)𝒫𝒞ek invertiertbar.

Beweis 1 - Inverses Element in B

Da zA in B invertierbar ist, sei bB das eindeutig bestimmte Inverse zu z. Ferner sei τ:AAB der Algebraisomorphismus, der A in B einbettet.

Beweis 2 - Homöomorphie des Algebraisomorphismus

Die Homöomorphie des Algebraisomorphismus τ:AA liefert

  • zu jedem α𝒜 eine α~𝒜~ mit xαCα|τ(x)|α~
  • zu jedem α~𝒜~ gibt es mit der Stetigkeit der Multiplikation ein β~𝒜~ mit |vw|α~|v|β~|w|β~ für alle v,wB und
  • zu jedem β~𝒜~ gibt es mit der Stetigkeit der Multiplikation ein γ~𝒜~ mit |vw|β~|v|γ~|w|γ~ für alle v,wB und
  • zu jedem γ~𝒜~ gibt es ein β𝒜 mit |τ(x)|β~Cγ~xβ.

Beweis 3 - Definition der Quasihalbnormen

Zunächst werden Quasihalbnormen auf B wie folgt definiert mit Dk(α):=maxi=0k|τ(zi)|β~:

x(α,k):=CαDk(α)|bkτ(x)|β~ mit b=z1B

Dabei ist (Dk(α))ko eine monoton wachsende Folge, wegen

Dk(α)=maxi=0k|τ(zi)|β~maxi=0k+1|τ(zi)|β~=Dk+1(α).

Beweis 4 - Abschätzung mit den Ungleichungen

Die Ungleichungskette ergibt sich durch die obigen Eigenschaften und τ(zk)=τ(z)k:

xαCα|τ(x)|α~=Cα|τ(zk)bk=eBτ(x)|α~Cα|τ(zk)|β~Dk(α)|bkτ(x)|β~CαDk(α)|bkτ(x)|β~=x(α,k)CαDk(α)|bk|γ~|τ(x)|γ~CαDk(α)|bk|γ~Cγ~xβ

Beweis 5 - Definition der Konstanten

Mit Dk(α):=Cαmaxi{0,...,k}(|τ(zi)|β~)|bk|γ~Cγ~ erhält man die Ungleichung:

xαx(α,k)Dk(α)xβ

Beweis 6 - Abschätzung bezüglich z

Mit b=z1B erhält man ferner:

zx(α,k+1)=Cα|τ(zk+1)|β~|bk+1τ(zx)|β~=Cα|τ(zk+1)|β~|bk+1τ(z)=bkτ(x)|β~=Cα|τ(zk+1)|β~|bkτ(x)|β~

Beweis 7- Stetigkeit und Homöomorphie

Wahl der Konstanten Dk(α)>0 für die Ungleichungen aus dem 𝒫𝒞-Regularitätslemma erfolgt nun insgesamt über die Stetigkeit des Algebraisomorphismus τ:AAB und von τ1:AA und der Verwendung der Ungleichung für die Stetigkeit der Multiplikation auf B.

Bemerkung TGP-Kriterium

In einer Beweisrichtung des TGP-Kriteriums kann man entnehmen, dass ein Sequenz von Gaugefunktionalen existiert, die man zwischen den gegeben Quasihalbnormen einschachteln kann. Damit ist noch nicht gesagt, dass diese Gaugefunktionale auch Quasihalbnormen sind.

Bemerkung

Da die lokalkonvexen Räume ein Spezialfall der pseudokonvexen Räume ist, ergibt sich als Korrollar unmittelbar das LC-Regularitätslemma.

LC-Regularitätslemma

Sei zA ein 𝒫𝒞ek-regulär in (A,𝒜)𝒫𝒞ek, wenn es für alle α𝒜 ein β𝒜 und eine isotone Folge von Halbnormen ((α,k))k0 mit positiven Konstanten D(α,k) gibt, für die gilt:

  • (LC1)xαx(α,k)D(α,k)xβ für alle xA und k0 und
  • (LC2) x(α,k)zx(α,k+1) für alle xA und k0.

Siehe auch

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