Kurs:Topologische Invertierbarkeitskriterien/MTNT-Kriterium für Gaugefunktionale

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Einführung

Sei (A,𝒯A) wird ein multiplikativer topologischer Nullteiler mengentheoretisch über das System der offenen Mengen 𝒯A definiert. Da eine topologische Algebra nicht notwendig kommutativ ist, musste man diese topologischen Eigenschaften für rechtseitige, linkseitig und beidseitige multiplikative topologischen Nullteiler über das System von offenen Mengen 𝒯A beschreiben.

Topologische Eigenschaften über Gaugefunktional

Ein Kriterium, dass die Eigenschaften z𝒯𝒩𝒯(A) bzw. z𝒯𝒩𝒯(A) über Gaugefunktionale, Halbnormen, Quasinormen, p-Normen, ... definert ist das Ziel eines Kriteriums zur Charakterisierung der Eigenschaft eines multiplikativen topologischen Nullteilers über Gaugefunktionale. In normierten Räumen wurde nach dem klassischen Satz von Arens für die Banachalgebren die Eigenschaft ein topologischer Nullteiler sein über eine Norm definiert.

Lemma - MTNT-Kriterium für Gaugefunktionale

Sei (A,𝒜) ein p-Gaugefunktionalsystem 𝒜, dann gilt mit (𝒜) als Menge der Gaugefunktionalindizes, die submultiplikativ, sind folgende Äquivalenz:

  • z𝒯𝒩𝒯r(A):α(𝒜):infxα=1zxα=0
  • z𝒯𝒩𝒯l(A):α(𝒜):infxα=1xzα=0

In kommutativen Algebren gilt 𝒯𝒩𝒯r(A)=𝒯𝒩𝒯l(A)=𝒯𝒩𝒯(A).

Beweis - MTNT-Kriterium für Gaugefunktionale

Man nennt zA einen rechtsseitgen multiplikativer topologischen Nullteiler in A (Bezeichnung: z𝒯𝒩𝒯r(A)), falls es eine multiplikative kreisförmige Nullumgebung Uα𝔘(0A) gibt, so dass gilt für alle λ>0:

λUαz(AUα)=

Minkowski-Funktional von Nullumgebungen

Betrachtet man das Minkowski-Funktional von kreisförmigen multiplikativen Nullumgebungen, so liefert

  • die Kreisförmigkeit die Homogenität des Minkowski-Funktionals pUα und damit ein Gaugefunktional Uα:=B1α(0A):={xA:xα<1},
  • die Multplikativität der Nullumgebung Uα (also UαUαUα) liefert die Submultiplikativität des Gaugefunktionals, d.h.
xyαxαyα

Bildung des Infimum

Betrachtet man die Bedingung

λUαz(AUα)=

so erhält man übertragen auf das Gaugefunktional für alle λ>0 ein xλAUα für das zxλλUα und damit gilt

zxλαλxλα1

und man erhält infxλα1zxλα=0.

Umgekehrte Beweisrichtung 1

Sei nun die folgende Infimumsbedingung gegeben.

α𝒜 submultiplikativ :infxα=1zxα=0

Wähle Uo:=B1α(0A) und für alle n gibt es ein xnAUo mit xnα=1 mit zxnα<1n. Dann gilt es auch für alle λ>0 ein n mit n>1λ mit zxnλUo (mit Kreisförmigkeit von Uo)

Umgekehrte Beweisrichtung 2

Insgesamt gilt dann:

λUαz(AUα)=

und man erhält die Behauptung.

Lemma - skalare beschränkte Teilmengen von Nullumgebungen

Sei (A,𝒜)𝒦e. Wenn zA und U0𝔘𝒯(0A) eine kreisförmige multiplikative Nullumgebung ist, dann gilt:

Λ(U0)z(AU0)z𝒯𝒩𝒯r(A)()

bzw.

Λ(U0)(AU0)zz𝒯𝒩𝒯l(A)

Beweis - MTNT-Lemma - skalare Beschränktheit

Sei zA und eine kreisförmige multiplikative Nullumgebung U0𝔘(0A) mit U0U0U0, für die gilt:

Λ(U0)z(AUα).

Dann gilt für alle λ>0 die Inklusion

λU0z(AUα)=.

Damit gilt z𝒯𝒩𝒯r(A). Den Beweis führt den linkseitigen multiplikativen Nullteiler führt man analog.

Da das System 𝒜 die Topologie auf A erzeugt, gibt es ein α𝒜 und ein ε>0, so dass die multiplikative ε-Kugel Uα:=Bεα(0A) des 𝒦-Funktionals α eine Teilmenge von U0 ist.

Gaugefunktional, MTNT und skalar unbeschränkte Mengen

Die folgende Abschätzung ergeben sich bei der Auseinandersetzung mit skalar unbeschränkten Mengen einer Nullumgebung in pseudokonvexen Räumen (A,𝒜)𝒫𝒞e.

Gaugefunktional und skalar-unbeschränkte Teilmengen von Nullumgebungen

Für ein uΛ(U0) mit α als submultiplikatives Gaugefunktional und Uα:=Bεα(0A) gilt für alle λ𝕂:

λuUα:=Bεα(0A)={xA:xα<ε}

Damit erhält man uα=0, denn sonst gilt nicht für alle λ𝕂, dass

|λ|uα=0=λuα<ε

Skalar unbeschränkte Teilmengen

Wenn man ein Element aus uoΛ(U0) wählt, gilt auch für das Minkowski-Funktional von U0, dass pU0(uo)=0 ist. Für Teilmengenbeziehung zwischen Nullumgebungen gilt ferner:

U0U1xA:pU1(x)pU0(x)

Damit gilt auch mit

pU0(x)=0pU1(x)=0

und für die skalar unbeschränkten Teilmengen von Nullumgebungen

Λ(U0)Λ(U1).

Konvergenz bzgl. Komplementen von Nullumgebungen

Sei Λ(U0)z(AU0) und zunächst uoΛ(Uα) beliebig gewählt. Da z𝒯𝒩𝒯r(A) ein rechtseitiger multiplikativer topologischer Nullteiler in A ist, gibt es ein Netz (xU)U𝔘𝒯(0A)(AU0)𝔘𝒯(0A), wobei (zxU)U𝔘𝒯(0A) gegen uo konvergiert, d.h.

(xU)U𝔘𝒯(0A)(AU0)𝔘𝒯(0A) mit zxUuoU𝔘𝒯(0A).

Netz aus dem Komplement einer Nullumgebung

Da das Netz (xU)U𝔘𝒯(0A) im Komplement von U0 liegt es auch im Komplement von UαU0. Wenn alle Komponenten des Netzes xUAUα auch im Komplement von Uα gilt immer noch, dass (zxU)U𝔘𝒯(0A) gegen uoΛ(Uα) konvergiert mit xUαε

zxUuoU

Konvergenz und skalare Unbeschränktheit

Die Konvergenz gegen uoΛ(Uα) mit zxUU𝔘𝒯(0A)uo lässt sich auch über Gaugefunktionale ausdrücken. Damit gilt für alle β𝒜, dass die Quasihalbnormen die Bedingung erfüllen:

zxUuoβU𝔘𝒯(0A)0

Man erhält damit infxαεzxuoβ=0 für alle β𝒜.

Subadditivität mit Stetigkeitskonstante der Addition

Wendet man die obige Konvergenzaussage insbesondere für β=α. Ferner folgt aus der Subadditivität mit Stetigkeitskonstante Kα1 auch die Ungleichung:

1Kαxαyαxyα.

Mit einer Abschätzung nach unter der Konvergenzaussage für β=α erhält man mit uoΛ(Uα):

01KαzxUαuoα=0zxUuoαU𝔘𝒯(0A)0

Konvergenz gegen 0 bzgl. Quasihalbnorm

Damit erhält man mit xUαε auch:

1KαzxUαU𝔘𝒯(0A)0 und zxUαU𝔘𝒯(0A)0

Dies liefert für das Infimum die Bedingung infxαεzxα=0.

Mengenbeziehungen

Dann gilt:

UαU0AU0AUαΛ(Uα)z(AUα)0=infxαεzxα=infxα1zεxαεinfxα1zxα=0infxα1zxα=0infxα=1zxα=0

Absorbierende Nullumgebung

Sei uoΛ(Uα) und dann gilt uoα=0. Da Nullumgebungen absorbierend sind, gibt es für zA ein natürliche Zahl no, sodass für alle nno auch znUα und damit auch 1nzUα. Ferner gilt auch mit

nxαnno1

Damit gilt insbesondere für xUα auch nxAUα.

Pseudokonvexe Algebren - skalar unbeschränkte Elemente

Wenn uoΛ(Uα) beliebig gewählt wird, gibt es ein Netz (yU)U𝔘𝒯(0A)A𝔘𝒯(0A) gegeben, dass gegen uo konvergiert, d.h. für alle β𝒜 gilt

yUuoβU𝔘𝒯(0A)0

Insbesondere gibt es für β=α eine Indexschranke des Netzes Uε𝔘𝒯(0A) mit Kα1 Stetigkeitskonstante der Addition:

yUuoα<ε2Kα für UUε

Anwendung der Infimumaussage auf Netze

Mit infxα1zxα=0 gibt es ein (xU)U𝔘𝒯(0A)(AU0)𝔘𝒯(0A), wobei (zxU)U𝔘𝒯(0A) in der Quashalbnorm α gegen 0 konvergiert, d.h.

zxUαU𝔘𝒯(0A)0

Dabei sei ohne Einschränkung xUα=1 für alle U𝔘𝒯(0A).

Definition eines Netzes im Komplement der Nullumgebung 1

Mit den obigen Bedingung definiert man mit der partiellen Ordnung (Mengeninklusion) auf der Indexmenge J:=𝔘𝒯(0A) eine neue Indexmenge JoJ mit

Jo:={UJ:UUε𝔘𝒯(0A)}

Der Schnitt von Nullumgebung ist nach den Eigenschaften eines topologischen Raum wieder eine Nullumgebung. Für das Teilnetz gilt ebenfalls:

zxUαUJ00 und yUuoαUJ00

Definition eines Netzes im Komplement der Nullumgebung 2

Man definiert nun ein Summen Netz (xU^)UJ0 mit xU^=xUyU. Für die Komponenten des Netzes gilt.

xUyUα1KαxUα1yUαε2Kαε2Kα

Definiert man die Nullumgebung U1:=Bε2Kαα(0A) liegt das Netz im Komplement von U1.

Abschätzung des Produktes mit z

Da die Quasihalbnorm α submultiplikativ ist.

zxU^α=z(xUyU)αKα(z(xU+uo)α+z(yUuo)α)Kα2(zxUα+zαuoα=0+zαyUuoα0)UJ00

Stetigkeit der Multiplikation

Aus der Stetigkeit der Multiplikation und wUU𝔘𝒯(0A)uo folgt auch

wUz1U𝔘𝒯(0A)0 und man erhält:

V𝔘𝒯(0A)U(V)𝔘𝒯(0A):wU(V)z1V.

Widerspruch

Dadurch ergibt sich ein Widerspruch wie folgt:

V∌yU(V)=yU(V)(zz1)=(yU(V)z)z1V.

Der Widerspruch zeigt, dass z in A nicht invertierbar sein kann.

Negation des MTNT-Kriteriums

Sei (A,𝒜)𝒦, dann kann man z𝒯𝒩𝒯r(A) (bzw. z𝒯𝒩𝒯l(A)) über Gaugefunktionale äquivalent beschreiben:

α𝒜 submultiplikativεα>0:infxα=1zxα=εα>0

bzw.

α𝒜 submultiplikativ εα>0:infxα=1xzα=εα>0

Lemma: Negation des MTNT-Kriteriums

Sei (A,𝒜)𝒦, dann kann man z𝒯𝒩𝒯r(A) (bzw. z𝒯𝒩𝒯l(A)) über Gaugefunktionale äquivalent beschreiben:

α𝒜 submultiplikativDα>0:xαDαzxα mit z𝒯𝒩𝒯r(A)

bzw.

α𝒜β𝒜,Dα>0:xαDαxzα mit z𝒯𝒩𝒯l(A)

Beweisaufgabe für Studierende

Siehe auch

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