BURNSIDE ET VON NEUMANN* 121 Plus généralement on peut concevoir une algèbre de von Neumann A qui généralise

les deux exemples précédents, en ce sens qu'il existe une bon e de H, des entiers k, p₁, q₁, . . . , p_k, q_k tels quep₁q₁+· · ·+p_kq_k = dimH de sorte que les élémentsb deA soient de la forme

[b]^e_e = diag(A₁, . . . , A₁, A₂, . . . , A₂, . . . , A_k, . . . , A_k) (6.9) où les matrices carrées complexesA_j sont arbitraires d'ordreq_j et reproduitesp_j fois dans 6.9. L'exemple 6.1 correspend à k = 1, l'exemple 6.2 correspond à q₁ = . . .=q_k = 1. Le but de cette section est de montrer la réciproque, c'est à dire que toute algèbre de von Neumann est de cette forme. Ce résultat non trivial s'appuie sur le théorème de Burnside (1903), le théorème 6.6 ci dessous. Réglons auparavant le cas simple des algèbres de von Neumann commutatives : nous allons voir qu'elles coïncident avec l'exemple 6.2.

Proposition 6.1. Soit H un espace hermitien et soit A une algèbre de von Neumann c'est à dire un sous espace vectoriel de L(H)contenant id_H tel que ab∈A si a et b sont dans A et telle que a^∗ ∈ A pour tout a de A. Alors A est commutative (c'est à dire que ab=bapour tous a etb deA) si et seulement si il existe une base orthonormale e deH telle que la matrice[a]^e_e soit diagonale pour tout a deA.

Dans ces conditions si la dimension de l'espace vectoriel A est k il existe k entiers p_j >0tels queq=p₁+. . .+p_k et il est possible de numéroterede sorte que sia ∈L(H) alors a∈A si et seulement si il existe une suite de complexes (µ₁, . . . , µ_k) telle que

[a]^e_e= diag[µ1Ip1, . . . , µkIp_k].

Démonstration. La partie ⇐ est évidente. Pour voir ⇒ on remarque que pour tout a ∈ A on a aa^∗ = a^∗a et donc a est donc diagonalisable dans une base orthonormale d'après le théorème 3.1 sur les endomorphismes normaux. Le fait qu'il existe une même bon universellee qui diagonalise chaque a deA résulte du théorème 6.1 du chapitre 1 de diagonalisation simultanée.

Montrons la seconde partie. Si T ⊂ {1, . . . , q}on note e_T l'élément de L(H)telle que [e_T]^e_e= diag[₁, . . . , _q]avec _j = 1 si j ∈T et _j = 0 sinon. Si T est non vide et sie_T ∈A on dit que T est un ensemble idempotent. Un ensemble idempotent T est dit minimal si S ⊂T et S idempotent entraine S =T.

On remarque que deux ensembles idempotents T et S satisfont e_Te_S = e_T∩S et donc T∩Sest ou vide ou idempotent. Cela entraîne que deux ensembles idempotents minimaux distincts sont nécessairement disjoints. Soit {T₁, . . . , T_p} l'ensemble des idempotents mi-nimaux. Alors ∪^p_j=1T_j = {1, . . . , q}. Sinon T₀ = {1, . . . , q} \ ∪^p_j=1T_j ne serait pas vide et serait un ensemble idempotent. En eetidH est dansA, ce qui entraine que

e_T0 = id_H −

p

X

j=1

e_Tj ∈A.

L'ensemble idempotentT₀ contiendrait un ensemble idempotent minimal, ce qui contredit la dénition de {T₁, . . . , T_p}.

On a donc déjà que A contient la sous algèbre A₁ des a de la forme Pp

j=1µ_je_Tj où (µ₁, . . . , µ_p)∈C^p est arbitraire. Pour voir qu'en faitA=A₁ et quep=k montrons qu'un élément quelconque a∈ A déni par [a]^e_e = diag(a₁, . . . , a_q) est dans A₁. Supposons qu'il n'en soit pas ainsi. Alors il existerait unj et deux élémentsi₁ eti₂ deT_j tels quea_i1 6=a_i2. Soit T = {i;a_i = a_i1}. Soit alors le polynôme de Lagrange L tel que L(a_i1) = 1 et tel que L(b) = 0 pour toutes les valeurs b prises par les a_i quand i /∈ T. Alors L(a) = e_T et donc T est un ensemble idempotent qui contient i₁ et pas i₂ pourtant situés dans le même ensemble idempotent minimal T_j : contradiction. Donc A=A₁. Le fait quek = p découle de dimA₁ = p. Pour terminer, on note par p_j la taille de T_j et on numérote la bonepour que T₁∪. . .∪T_j ={1, . . . , p₁+· · ·+p_j}pour toutj = 1, . . . , k.La proposition est montrée.

Nous attaquons la description des algèbres de von Neumann générales par plusieurs dé-nitions. SoitA⊂L(H)une algèbre de von Neumann. L'algèbre de von Neumann suivante

A⁰ ={x∈L(H); ax=xa ∀a∈A}

est appelée le commutant de A. L'algèbre de von Neumann commutative C(A) =A∩A⁰ est appelée le centre de A. Si C(A) est simplement formée des multiples de l'identité on dit que c'est un facteur. Voici des exemples de facteur :

Proposition 6.2. Si H est un espace hermitien alors L(H) est un facteur. Si H est la somme directe orthogonale de k espaces identiques à H1 et si A est l'algèbre de von Neumann des a= diag(a₁, . . . , a₁) tels que a₁ ∈L(H₁) alors A est un facteur.

Démonstration. Il sut donc de montrer que si une matrice carrée A = (a_ij) d'ordre commute avec toute matrice B alors A est un multiple de Iq. Notons par Eij la matrice carrée d'ordre q dont le coecient (i, j)est 1 et dont tous les autres sont nuls. Comme la matrice AE_ii−E_iiA = 0 on voit immédiatement que ligne et colonne i de A sont nulles en dehors de (i, i). Comme c'est vrai pour tout i, A est diagonale. Pour voir enn que a_ii =a₁₁, écrireAB−BA= 0 pour B =E₁₁+E_ii.

Pour la seconde partie, on cherche lesx∈L(H)tels quex= diag(x₁, . . . , x₁)satisfasse xa =ax pour tout a∈ A et donc x1a1 =a1x1 pour tout a1 ∈L(H1). La première partie montre que x₁ est multiple de l'identité de donc que A est un facteur.

En fait un long travail va consister à montrer au théorème 6.9 que tous les facteurs sont de la forme indiquée par la proposition 6.2. Cette proposition permet aussi de trouver que le commutant A⁰ de l'exemple 6.1 est contenu dans A et est formé des x de la forme

[x]^e_e = diag(λ₁I_q1, . . . , λ_pI_qp).

Pour le voir on écrit x par blocs, c'est à dire x = (x_ij) avec x_ij ∈ L(H_i, H_j). L'égalité xa = ax se traduit par (x_ij)diag(a₁, . . . , a_p) = diag(a₁, . . . , a_p)(x_ij) qui se traduit par x_ija_j = a_ix_ij. Pour i 6= j ceci entraine x_ij = 0 (prendre a_i = 0 et a_j arbitraire). Pour i = j on applique la proposition 6.5 pour voir que x_ii est un multiple de l'identité. En revanche le commutant A⁰ de l'exemple 6.2 est formé des x = diag(x₁, . . . , x_q) avec x_j

VI. BURNSIDE ET VON NEUMANN* 123 élément arbitraire deL(E_j).Cela se voit par une méthode de blocs analogue. Finalement, la même méthode de blocs montre que le commutant du facteur A de la proposition 6.2 est formé des x = (x_ij)_1≤,j≤p tels que x_ij = λ_ijid_H avec (λ_ij)_1≤,j≤p matrice de nombres complexes arbitraire. On utilise pour cela la première partie de la proposition 6.2. Voici enn l'origine du mot facteur :

Proposition 6.3. Soit H un espace hermitien et A ⊂ L(H) une algèbre de von Neu-mann. Alors il existe une décomposition en somme directe orthogonaleH =E₁⊕ · · · ⊕E_k et des facteursA_j ⊂L(E_j)tels queA est formé desa= diag(a₁, . . . , a_k)tels quea_j ∈A_j. Démonstration. Le centre C(A) étant une algèbre de von Neumann commutative, on lui applique la proposition 6.1 pour garantir qu'il existe une décomposition en somme directe orthogonale H = E₁⊕ · · · ⊕E_k telle que les éléments de C(A) sont de la forme µ1p1 +. . .+µkpk en notant pj ∈ L(H) la projection orthogonale de H sur Ej et où (µ₁, . . . , µ_k) est arbitraire dans C^k. Dénissons A_j ⊂ L(E_j) comme l'ensemble des p_jap_j quand aparcourt A. AlorsA_j est une algèbre de von Neumann puisquep_j commute avec les éléments deA. De plus sii6=j eta etb sont dans Aalors piapipjbpj = 0 car pipj = 0.

On le résume en disant A_iA_j = 0. Reste à vérier que A_j est un facteur. Si x ∈ A est tel que on a pour tout a ∈A l'égalité p_jap_jp_jxp_j =p_jxp_jp_jap_j alors comme p_j commute avec tout A on a apjxpj = pjxpja ce qui est dire que pjxpj ∈ C(A) et donc que pjxpj

est proportionnel à l'identité id_Ej. L'algèbre A_j est donc un facteur et la proposition est montrée.

Proposition 6.4. Soit H un espace hermitien et soit A ⊂ L(H) une algèbre de von Neumann. SiF est un sous espace vectoriel de H soit p_F la projection orthogonale deH surF. Alors il y a équivalence entre les trois faits suivants :

1. F est invariant par A 2. p_F est dansA⁰

3. I =p_FAp_F est tel que AI etIA sont contenus dans I.

En particulier si p_F ∈A alors F est invariant par A si et seulement si p_F ∈C(A)et si et seulement si I =pFApF est tel queAI et IA sont contenus dans I ⊂A.

Finalement, A est un facteur si et seulement si il ne contient pas de sous espace vectoriel I non trivial tel que AI et IA sont contenus dansI et tel que I soit stable par a7→a^∗.

Démonstration. 1⇒ 2 : Pour tout a ∈A on a p_Fa= p_Fap_F = (p_Fa^∗p_F)^∗ = (p_Fa^∗)^∗ = ap_F. 2 ⇒ 3 : puisque p_F commute avec tout élément de A on a pour a et b dans A que ap_Fbp_F =p_Fabp_F ∈I et que p_Fap_Fb=p_Fabp_F ∈I. Enn 3⇒1 car si v ∈F et si a∈A alors a(v) =ap_F(v)∈I(v)⊂F.L'application au cas particulier p_F ∈A est immédiate.

Montrons maintenant la dernière partie.⇐:SiAn'est pas un facteur, son centreC(A) est non trivial. D'après la proposition 6.1C(A)contient donc une projection orthogonale p_F sur un sous espace vectoriel non trivial F de H. En considérant I = p_FAp_F et la première partie de la proposition on a la contradiction voulue. La partie ⇒ est moins simple. S'il existe un sous espace vectoriel non trivial I de A stable par a 7→ a^∗ et avec

AI ⊂I etIA ⊂I alorsI est une algèbre qui ne contient pasid_H.Elle contient cependant des projections orthogonalesp_F.FixonsF de dimension maximale telle quep_F ∈I.Alors id_H−p_F 6= 0 et il existea∈Atel que(id_H−p_F)a6= 0 (sinonA=p_FA ⊂I etI ne serait pas un sous espace vectoriel strict de A). Par conséquent l'endomorphisme symétrique positif b = (id_H −p_F)aa^∗(id_H −p_F)appartient à I et est non nul. Soit G un des espaces propres de b : il est dans l'orthogonal de F et pourtant p_F+G =p_F +p_G est dansI. Cela contredit la maximalité de la dimension de F et achève la démonstration.

Voici maintenant le théorème du double commutant qui dit que A=A⁰⁰ pour une algèbre de von Neumann. Quand on veut étendre la présente théorie aux espacesH de dimension innie, ce résultat doit être pris comme axiome supplémentaire de la dénition des algèbres de von Neumann ⁴ .

Théorème 6.5. Soit H un espace hermitien et soit A ⊂ L(H) une algèbre de von Neumann. Alors A=A⁰⁰.

Démonstration. Rappelons les dénitions du commutant et du double commutant : A⁰ ={x∈L(H); ax=xa ∀a ∈A} A⁰⁰ ={y∈L(H); yx=xy ∀ x∈A⁰}.

Cela montre clairement que A ⊂ A⁰⁰. Soit alors y ∈ A⁰⁰. Montrons que y ∈ A. J'observe d'abord que pour tout v ∈H alors il existe au moins un a ∈ A tel que a(v) = y(v). En eetF =Avest un sous espace invariant et donc la projection orthogonalep_F est dansA⁰ (voir Proposition 6.4). Donc pF commute avec y et donc pFy(v) = ypF(v) = y(v). Donc y(v) est dansA(v).

Il ne reste plus qu'à montrer que le a ∈ A que nous avons trouvé ne dépend pas de v, c'est à dire qu'en fait y ∈ A. Pour cela on utilise une astuce appelée dilatation de von Neumann. Si n = dimH je forme H1 = H^⊕n de dimension n² et je forme l'algèbre de von Neumann A₁ ⊂ L(H₁) des a₁ = diag(a, a, . . . , a) avec a ∈ A. Son commutant A⁰₁ est formé des x = (x_ij)1≤i,j≤n avec x_ij ∈ A⁰, et son double commutant est formé des y1 = diag(y, y, . . . , y)avecy∈A⁰⁰.Appliquons alors la première partie de la démonstration àA₁ et àv =e∈H₁ quand e= (e₁, . . . , e_n) est une bon deH.Pour touty₁ ∈A⁰⁰₁ il existe donc a₁ ∈A₁ tel quey₁(e) = a₁(e)et doncy(e_i) =a(e_i) pour touti= 1, . . . , n.C'est dire y=a et le résultat est montré.

Nous attaquons maintenant la seconde partie de cette section, en montrant d'abord le théorème de Burnside 6.6 et en développant les conséquences pour classer les facteurs (c'est à dire pour montrer la réciproque de la proposition 6.2) et donc avec la proposition 6.3 trouver toutes les algèbres de von Neumann.

Théorème 6.6. Soit H un espace hermitien et soit A une algèbre, c'est à dire un sous espace vectoriel de L(H) tel que ab∈A si a etb sont dansA. On suppose de plus que si F est un sous espace vectoriel de H tel que A(F) ⊂ F (c'est à dire que a(F) ⊂ F pour tout a∈A) alors F ={0} ouH. Dans ces conditions on a toujours A=L(H).

4Voir J. Dixmier, (1969) Les algèbres d'opérateurs dans l'espace Hilbertien Gauthier-Villars, Paris.

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