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Idéaux à gauche d’une C ∗ -algèbre unitaire

Dans le document Etats, idéaux et axiomes de choix (Page 136-140)

Si X est un ensemble, un “net” de X ( voir Annexe C) est une famille (xi)i∈T

d’élé-ments de X, indexée par un ensemble non vide ordonné (T, ≤) dirigé (i.e. pour tous

i, j ∈ T il existe un élément k de I tel que i ≤ k et j ≤ k). Si X est un espace topologique,

un net (xt)t∈T de X converge vers un élément x ∈ X si pour tout voisinage V de x dans

X, il existe i0T tel que pour tout i ≥ i0, xiV .

Une unité approchée d’une C-algèbre A est un net croissant (ut)t∈T d’éléments positifs

de la boule unité fermée de A telle que ∀a ∈ A, lim

t∈T aut = a (équivalent à dire que ∀a ∈

A, lim

t∈T uta = a).

Théorème* 5.7.1. [51, p.78, Théorème 3.1.1]

Toute C-algèbre (non nécessairement unitaire) admet une unité approchée.

Preuve :

On esquisse les étapes de la preuve de [51, p.78] :

— L’ensemble Λ ∶= {a ∈ A+, ∣∣a∣∣ < 1} est un ensemble ordonné avec l’ordre induit par

celui de Asa.

— Le Théorème5.2.1, plus précisément le cas séparable (dans ZF), permet de prouver que Λ est dirigé.

— La famille (λ)λ∈Λ est une unité approchée de A.

Remarque 5.7.1.

L’ensemble c0(N) des suites qui convergent vers 0 est une C-algèbre non unitaire.

Elle admet pour unité approchée la suite (up)p∈N∗ définie par : ∀p ∈ N up(n) = 1 si n ≤ p et 0 sinon

Théorème* 5.7.2. [51, Théorème 3.1.2 p.79]

Si L est un idéal à gauche fermé d’une C-algèbre A, il existe un net (ut)t∈T d’éléments

positifs de la boule unité fermée de L ∩ L telle que pour tout a ∈ L, a = lim

λ auλ.

Preuve :

Voir [51, p.79] : il applique l’existence d’unité approchée à la C-algèbre B = L ∩ L.

5.7.2 Conséquences sur les idéaux à gauche fermés propres

Proposition* 5.7.1.

Soit L un idéal à gauche fermé d’une C-algèbre unitaire A.

— Pour tout b ∈ L+, b1 2L. — Pour tout b ∈ L, ∣b∣ ∈ L. — Pour tout b ∈ L, ∣b∣ ∈ L.

— Soit b ∈ L+. L’idéal à gauche L admet une unité approchée (ut)t∈T. Donc b = lim

t but. Montrons que b12 =lim

t b12ut

±

∈L

, comme L est fermé on aura b12L.

Notons que comme 0 ≤ ut et ∣∣ut∣∣ ≤1, d’après la Proposition 5.2.3, ∣∣1 − ut∣∣ ≤1. Or ∣∣b12b12ut∣∣2 = ∣∣(b12b12ut)(b1

2b12ut)∣∣ = ∣∣(1 − ut)b(1 − ut)∣∣ ≤ ∣∣b − but∣∣ →

t 0 ce qui achève la preuve.

— Soit b ∈ L, comme ∣b∣ = (bb)1

2 et que bb ∈ L est positif, le point précédent assure

que ∣b∣ ∈ L.

5.7.3 Idéaux à gauche fermés propre et boule unité stricte B(1

A

, 1)

Théorème 5.7.3.

Soit A une C-algèbre unitaire. Soit L un idéal à gauche fermé propre de A. Alors :

1. L ne rencontre pas la boule stricte B(1A, 1) de centre 1A et de rayon 1. 2. 1AL + L.

Preuve :

1. D’après la Proposition5.1.1, la boule unité stricte B(1A, 1) de centre 1Aet de rayon 1 est constituée d’éléments inversibles donc elle ne rencontre pas L puisque L ne contient aucun inversible à gauche.

2. Par l’absurde, supposons que 1 ∈ L + L : il existe x, y ∈ L tels que 1 = x + y.

D’après le Théorème5.7.2, il existe un ensemble ordonné dirigé T et un net (ut)t∈T

d’éléments positifs de L ∩ L et de norme inférieure ou égale à 1 telle que ∀a ∈

L, lim aut=a.

Or xut=utyutL. En passant à la limite dans le premier membre, puisque L

est fermé, on a x ∈ L puis 1 ∈ L : absurde

Remarque 5.7.2.

— Nous montrerons plus loin que B(1A, 1) ∩ (L + L) = ∅, et donc 1 ∉ L + L

(Propo-sition 5.7.2, page137).

— Lorsque l’on prouve que L ne rencontre pas B(1A, 1), on utilise le fait que L ne

peut pas contenir d’inversibles. Par contre L + L peut contenir des inversibles, et

ce, même si L est maximal.

Par exemple, si on se place dans A = M2(C) (C-algèbre ayant pour involution

∗ ∶ M ∈ M2(C) ↦t M ), on considère L l’idéal à gauche engendré par la matrice B ∶= (0 1

0 0). L’élément S ∶= ( 0 1

1 0) =B + B L + L est inversible (symétrie par

rapport à e1+e2).

5.7.4 Construction d’un état associé à un idéal à gauche fermé

propre d’une C

-algèbre unitaire

Soit L un idéal à gauche propre fermé d’une C-algèbre unitaire A. On va construire,

5.7.4.1 Formes linéaires positives intermédiaires

1. Forme linéaire positive f0 sur V0∶= (L ∩ L) ⊕ C.1A

L ∩ L est une ∗-algèbre. On considère f0L ∩ L⊕ C.1A C

x + t1At . Cette forme

linéaire f0 est positive :

Soient x ∈ L ∩ L et t ∈ C tels que x + t.1A0, dans ce cas Sp(x + t.1A) ⊆ R+. Or

Sp(x + t.1A) = Sp(x) + t ⊆ R+. Comme x ∈ L, x n’est pas inversible donc 0 ∈ Sp(x) donc t est positif.

2. Forme linéaire “positive” f1 sur V1=L ⊕ C.1A

On prolonge la forme linéaire précédente f0 en une forme linéaire f1V1→ C nulle

sur L. Montrons que la forme linéaire f1 vérifie la condition de positivité suivante : si x ∈ L et t ∈ C sont tels que x + t1A0 alors t ∈ R+.

Soient x ∈ L et t ∈ C tels que x + t.1A0. Montrons que t est positif.

x + t1A=x+t1A donc x − x = (t − t)1A. Le Théorème 5.7.3 assure que 1 ∉ L + L,

donc t = t donc x = x donc x ∈ L ∩ L donc comme f0 est positive il vient t ≥ 0.

Remarque 5.7.3.

Comme V1 n’est pas stable par ∗, on ne peut utiliser le Théorème5.3.1pour déduire la continuité de f1à partir de sa positivité. Cependant on peut quand même prouver que f1 est continue de norme 1 :

En effet, soient z ∈ L et s ∈ C tels que ∣∣z + s1A∣∣ ≤1. Montrons que ∣s∣ ≤ 1.

La boule stricte B(1A, 1) ne rencontre pas L (Théorème 5.7.3 ) donc ∀` ∈ L, 1 ≤ ∣∣` − 1A∣∣.

Donc si s ≠ 0, comme −z

sL on a : 1 ≤ ∣∣zs +1A∣∣ donc ∣s∣ ≤ ∣∣z + s1A∣∣ : donc f1 est continue et ∣∣f1∣∣ ≤1. Comme de plus f1(1) = 1 il vient ∣∣f1∣∣ =1.

3. Forme linéaire “positive” f2 sur V2=L⊕ C.1A

De la même façon on peut prolonger f0 en une forme linéaire f2V2 → C nulle sur V2, continue de norme 1, vérifiant la condition de positivité suivante : si x ∈ L et

t ∈ C sont tels que x + t1A0 alors t ∈ R+.

4. Forme ηL sur VL∶=V1+V2 = (L + L) ⊕ C.1A

On remarque que V1V2= (L ∩ L) ⊕ C1A : en effet, si z ∈ V1V2, il existe x, y ∈ L

et t, s ∈ C tels que z = x + t1A =y+s1A. Ainsi x − y = (s − t)1A, puis comme le

Théorème 5.7.3 assure que 1 ∉ L + L, il vient z ∈ (L ∩ L) ⊕ C1A.

Les formes linéaires f1 et f2 coïncident sur V1V2 donc se prolongent en une même forme linéaire sur V1 +V2 : il existe une unique forme linéaire ηLVL → C qui prolonge f1 et f2.

5.7.4.2 La forme linéaire ηLVL→ C est positive et continue de norme 1

Théorème 5.7.4.

La forme linéaire ηLVL → C construite précédemment (section 5.7.4.1) est positive et continue de norme 1 : c’est un état sur le ∗-espace vectoriel VL.

Cet état ηL sur VL se prolonge de manière unique en une forme linéaire (encore

notée ηL) continue de même norme à L + L⊕ C1A (puisque continue donc uniformément

continue à valeurs dans l’espace complet C). Ce prolongement est nul sur L + L et c’est un état sur VL.

Preuve :

Soient x, y ∈ L. Soit t ∈ C tels que x + y+t1A0. Montrons que t ≥ 0 : On note V la C-algèbre engendrée par x, y, y et 1A : V est séparable.

On va construire dans ZF un état g sur V (i.e. une forme linéaire positive de norme 1, et par conséquent unitaire) nul sur V ∩ L :

— On considère la forme linéaire positive f1 précédente (section 5.7.4.1) :

f1L ⊕ C1A → C

z + s1As . On rappelle que f1 est continue de norme 1.

— On restreint f1 sur V ∩ (L ⊕ C.1A), cette restriction reste continue de norme 1, et est nulle sur V ∩ L.

Comme V est séparable, grâce au théorème de Hahn Banach dans un espace normé séparable ( page55), on prolonge cette restriction en une forme linéaire g continue de même norme (i.e. ∣∣g∣∣ = 1) sur la C-algèbre V . L’application g est définie

sur une C-algèbre, de plus elle est continue de norme 1 = g(1) donc est positive

(Théorème5.3.1) : g est un état sur V , nul sur V ∩ L.

— Comme x + y+t1Aest positif et que g est hermitienne (voir Section5.3, page117)

et positive on a : g(x + y+t1A) =g(x) + g(y) +t = t ≥ 0.

En conclusion l’application ηL définie sur VL est positive. Le Théorème 5.3.1 assure que ηL est continue de norme 1.

Remarque 5.7.4.

Si A est séparable, la version séparable du théorème de Hahn Banach ( page 55) permet de prolonger ηL en un état sur A.

5.7.4.3 Conséquences

Deux conséquences importantes de l’existence d’un état sur (L + L) ⊕ C1A :

Proposition 5.7.2.

Soit A une C-algèbre unitaire. La boule stricte B(1A, 1) de centre 1A et de rayon 1

ne rencontre pas (L + L) :

B(1A, 1) ∩ (L + L) = ∅

Preuve :

On considère l’état ηL sur (L + L) ⊕ C1A nul sur L + L construit précédemment

(Théorème 5.7.4).

S’il existe z ∈ (L + L) ∩B(1A, 1) alors ηL(z − 1A) = −1. Or comme ηL est continue de

norme 1 il vient : ∣ − 1∣ = 1 = ∣ηL(z − 1A)∣ ≤ ∣∣z − 1A∣∣ <1, c’est absurde.

Dans le document Etats, idéaux et axiomes de choix (Page 136-140)