A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
S. M IRACLE -S OLE
Traitement de la convolution gauche pour les systèmes infinis
Annales de l’I. H. P., section A, tome 6, n
o1 (1967), p. 59-71
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59
Traitement de la convolution gauche
pour les systèmes infinis
S. MIRACLE-SOLE
Physique Théorique,
Faculté desSciences,
Marseille.Ann. Inst. Henri Poincaré, J, 1967,
Section A :
Physique théorique.
ABSTRACT. - The « twisted convolution » formalism of D.
Kastler,
associated with the
Weyl
form of the canonical commutationrelations,
isdeveloped
for thesystems
of infinitedegrees
of freedom. TheWeyl
corres-pondence
isanalysed
and theWigner-Moyal
formalismindicated,
as anadaptation
of aprevious
work of G.Loupias
and theauthor,
for an infiniteclass of irreducible
representations
of the twisted convolutionalgebra,
which includes the Fock
representation.
We obtain theserepresentations,
which are related to the direct
product representations
of J. McKenna and J. R.Klauder,
assubrepresentations
of ageneralized regular representation,
and we
give
the condition for theirunitary equivalence.
In the last para-graph
we consider the case of theWeyl
relations on atopological symplectic
space.
INTRODUCTION
La construction des
C*-algèbres
associées aux relations de commutationcanoniques
a conduit D. Kastler[1]
à la définition du «produit
de convolu- tiongauche »
des mesures surl’espace
dephase.
Avec G.Loupias
nousavons considéré ce formalisme dans le cas d’un nombre fini de
degrés
deliberté
([2]
et[2 a]) qui
fournit la base pour le traitementmathématique
dela
correspondance
deWeyl
entre observablesclassiques
etquantiques,
et duformalisme de
Wigner-Moyal.
Enparticulier,
nous avons montré que les fonctions deC2
surl’espace
dephase s’appliquent
sur lesopérateurs
deHilbert-Schmidt de la
représentation
deSchrôdinger.
60 S. MIRACLE-SOLE
Nous nous proposons d’abord ici de
généraliser
cette étude au cas d’unnombre infini de
degrés
de liberté.L’analogue
del’espace C2
des « fonctions »sur
l’espace symplectique
d’une infinité de dimensionspeut
être obtenucomme
produit
direct infinid’espaces
deHilbert;
etpermet
de définir lareprésentation régulière
del’algèbre
de convolutiongauche,
ainsi que dedévelopper
notre étude pour une classe infinie de sessous-représentations irréductibles, parmi lesquelles
se trouve lareprésentation
de Fock.Ces
représentations
sont liées auxreprésentations produit
direct consi- dérées par J. McKenna et J. R. Klauder[5],
et dupoint
de vuephysique, peuvent
être associées à l’état fondamental d’unsystème dynamique
d’uneinfinité de
degrés
de libertéindépendants.
Nous donnerons dans le para-graphe
3 une nouvelle démonstration de la condition nécessaire et suffisante pourl’équivalence
de deux de cesreprésentations,
ainsi que la construction par la même méthode et associée auxpartitions
de l’ensembled’indices,
d’une infinité de nouvelles
représentations.
Dans le
paragraphe 4,
nous nous intéresserons au cas des relations de commutationcanoniques
définies sur un espacetopologique.
Cet espaceapparaît
comme lecomplété
del’espace symplectique
formel utilisé dans les troispremiers paragraphes.
§
1. LAREPRÉSENTATION RÉGULIÈRE
DE
L’ALGÈBRE a)
ET UNE CLASSE DE
SOUS-REPRÉSENTATIONS
IRRÉDUCTIBLES
Soit H
l’espace
vectoriel des combinaisons linéaires finies des vecteurs el,Ji,
i EI,
où 1 est un ensembled’indices,
deux éléments
quelconques
deH,
posonsAlors
(H, c)
est un espacesymplectique
danslequel
e~,fi,
i E 1 est une basesymplectique.
On
désignera
parEi l’espace
bidimensionnelengendré
par les deux vec-61
CONVOLUTION GAUCHE POUR LES SYSTÈMES INITNIS
teurs de
base ~ fi,
et parE,
la somme directe desE;
pour tout 1 EJ,
ainsique par
a)
etT) respectivement
les espaces de Hilbert des fonctions de carréintégrable
sur les espacesE~, El,
munis des normesoù N est le nombre d’éléments de J. Ce sont
d’après [2]
desalgèbres
hilber-tiennes pour le
produit
de convolutiongauche.
La construction décrite par D. Kastler dans
[1] permet
d’obtenirl’algèbre
de Banach
o)
et laC*-algèbre c),
limites inductives desalgèbres
de convolution
gauche
des mesures bornées sur les sous-espaces de dimen- sion finie de H.L’analogue
de lareprésentation régulière gauche
7t2 de cesalgèbres
dansle cas d’un nombre infini de dimensions
peut
être obtenue avec la notion deproduit
tensoriel infinid’espaces
de Hilbert[3].
Nousappellerons C2(H)
le
produit complet 1 ~ L2(Ei, 6) 03A6)
leproduit incomplet
caracté-risé par la
c0-suite 03A6 = 03A0~03C6i
où E1::2(£i’ y),
i E I. Ces notations sontf=i
justifiées
par le fait que si J est unepartie
finie deI,
on aproduit
scalaire s’écritLe lemme suivant
[3]
fournit une deuxième construction1».
LEMME 1 :
C2(H, 4Y)
est lacomplétion
de l’ensemble des combinaisons linéairesfinies
de Lecteurs de laforme 03A0~ 03BBi,
où03BBi
= 03C6isauf
pour uni EI
nombre
fini
d’indices i.Étant
donné une mesure bornée ~. surl’espace El,
où J est unepartie
62 S. MIRACLE-SOLE
finie de
I,
on obtient unopérateur borné ~ 2(~.)
surL2(H)
en définissant sonaction sur les
co-suites
parce
qu’on
écriraaussi y
x C. Le lemme antérieurpermet
d’étendre cetopérateur
à unopérateur
linéairesur C2(H). D’après [1] (théorème 15)
lanorme considéré comme
opérateur c)
coïncide avec la« norme de
Schrôdinger
» de ~., d’oùOn obtient ainsi une
représentation
de laC*-algèbre o)
surC2(H)
qu’on désignera
par 7~2.De sa définition il vient que la
représentation
1t2 laisse invariant chacun desproduits incomplets. Désignons
par la restriction de 7t 2 auproduit incomplet C2(H, 0).
??2 est la somme directe desreprésentations
lors-que C parcourt
les classesd’équivalence
desco-suites.
On dit que deuxc0-suites 03A6 = 1 0
CPi et X= fl
sontquasi équivalents
s’ilfel iEl
___
existe une famille
{ ri },
i E 1 de nombres réels tels que lesc0-suites 03A0~
p___
tel
et
03A0~ {
soientéquivalentes.
Ceci fournit alors uneapplication
i Ei
unitaire de
C2(H, C)
surC2(H, X),
cequi
montre que lesreprésentations
et 1t(x) sont unitairement
équivalentes.
Nous obtenons comme
sous-représentations
de 7t2 une infinité continue dereprésentations
irréductibles de laC*-algèbre o).
DÉFINITION 1 : S’oit ~
= ) ) 0
cp, uneco-suite d’éléments
~tauto-adjoints
/6l
indempotents
et normalisés desalgèbres 2(Ei, ),
i. e.~ Il Il /2014’’"’ -
On
appellera
le sous-espace hilbertien deC2(H, cr) formé
des élémentsde
la forme y
x1>, tL
Ecr)
et la restriction de lareprésentation
7t2à
On obtient aussi la
représentation
7t~ par la construction de Gelfand-Segal
àpartir
de la formepositive
=(4Y 1 7t2(tL)I»,
quelorsque
y E
cr)
nous pouvons écrire =CONVOLUTION GAUCHE POUR LES SYSTÈMES INFINIS 63
satisfait les conditions
(5),
onpeut
donc définir lareprésentation qui
coïncide avec la
représentation
de Fock([1], ~ 5).
Les résultats que nous obtiendrons concernant lesreprésentations
7r~ seront ainsi valables pour lareprésentation
de Fock. Etant donné(3),
un traitementanalogue
à celuide
([2],
Ch.IV) permet
d’obtenir ladescription
détaillée del’espace
de-la
représentation
deFock, qui apparaît
comme un espace de fonctions.analytiques
d’un nombre indéfini de variablescomplexes.
THÉORÈME 1 : est une
représentation
irréductiblefidèle
de laC*-algè-
bre
cr).
Démonstration : une
représentation
est irréductible si tout vecteur estcyclique.
Il est évidentque 0
E est un vecteurcyclique.
Soit mainte-nant
(3)
un vecteurquelconque
de alors([2],
formule(50))
ce
qui
démontrequ’il s’agit
aussi d’un vecteurcyclique.
D’autre partIl Il == Il f1- jf)
donc lareprésentation
n «> est fidèle.§
2.L’ALGÈBRE
DE VON NEUMANNENGENDRÉE
La
représentation
étantirréductible, l’algèbre
de von Neumannengendrée
para))
estL’interprétation
des différentes classesd’opérateurs
de cettealgèbre
est très différente de celle que nousavons obtenue dans
[2]
pour un espacesymplectique
de dimension finiedTHÉORÈME 2 :
o))
ne contient aucunopérateur complètement
continu sur
l’espace
de lareprésentation.
Démonstration : ceci résultera du fait que
cr)
est située àune distance finie de tout
projecteur.
En effet soit ~. Ea) et f E j6~
alors
ANN. INST. POINcARÉ, A-VI-1 5
64 S. MIRACLE-SOLE
Choisissons g orthogonal à fet
à nL2(EJ, ~),
alorsMalgré
cettedifférence,
il estpossible d’adapter
l’étude faite dans[2] (Chap.II)
concernant lesopérateurs
de Hilbert-Schmidt de larepré-
sentation deSchrödinger.
Nousindiquons,
sans le faireexplicitement,
que cecipermettrait
alors d’obtenir(1)
le formalisme deWigner-Moyal
pour lesreprésentations
et enparticulier
donc pour lareprésentation
de Fock.THÈORÈME 3 : Soit 03A6 =
1
uneco-suite satisfaisant
lesconditions
iI
de la
définition
1. Nousdéfinissons
alors la convolutiongauche
des deux co-sui-tes
1»
paret l’involution par
Ceci
définit
leproduit
de convolutiongauche
et l’involution dansC2(H, 4Y), qui
devient unealgèbre
hilbertienne.Démonstration : vérifions d’abord que les
co-suites
sont encore
équivalentes
à C. Eneffet,
dansL2(H, ~), compte
tenu de(5)
on a :
(1)
Voir[2],
Ch. III. Nous pouvons définir la transformation de Fourier sym-plectique
surC2(H, ~)
àpartir
des co-suites par :65
CONVOLUTION GAUCHE POUR LES SYSTÈMES INFINIS
On
peut
alors étendre la convolutiongauche
aux combinaisons linéaires finies deco-suites. Soit/et g
deux d’entreelles,
on ad’après [2] (théorème 3).
ce
qui permet
d’étendre la convolutiongauche
par continuité àtout C2(H, ~), qui
devient unealgèbre
hilbertienne(qu’on pourrait
noterC2(H, C, c),
pour
indiquer
que ceproduit dépend
de la structuresymplectique
deH).
Nous pouvons alors écrire la formule
qui
estanalogue
àl’expression (50)
de[2].
On définit de
façon
évidente pourf
eL2(H, 03A6)
commel’applica- tion g ~H03C003A6,
leproduit
étant effectué dansL2(H, 03A6).
THÉORÈME 4 : La
représentation
03C003A6applique isomorphiquement
et iso-métriquement l’algèbre
hilbertienne~~(H, C)
surl’algèbre
hilbertienne desopérateurs de
Hilbert-Schmidt surl’espace
Démonstration : Soit ~
l’algèbre
desopérateurs
de Hilbert-Schmidt.Si
PEj
est leprojecteur
de~~~
surJC~
=J6~
na) (J partie
finiede
I),
l’ensemblePB
est formé desopérateurs qui
annulent lecomplé-
mentaire
orthogonal
du sous-espace laissentJCs
invariant et dont larestriction à
~1
consiste en lesopérateurs
de Hilbert-Schmidt surJC~
D’autre
part
où g = go0 j ) ) ,
avec~o ~ ~2(Ej, a)
i EI-J
laisse invariant
j~B
et annule soncomplément orthogonal. D’après
lethéorème 3 de
[2]
lesalgèbres
hilbertiennesPBJ
et66 S. MIRACLE-SOLE
sont
isométriquement isomorphes.
Et de même leur union pour toutes lesparties
finies de I.Puisque
lapremière
est dense dans u du faitqu’elle
contient les
opérateurs
de rangfini,
et la deuxième dansC2(H, 1», d’après
le lemme
1,
nous en déduisonsl’isomorphisme isométrique
de 9tet C2(H, ~).
§
3. COMPARAISON DESREPRÉSENTATIONS
Les deux théorèmes suivants concernent la relation entre les
représen-
tations que nous avons définies.
THÉORÈME 5 : La
représentation
7t(I» decr)
dansC2(H, a)
est unmultiple
de lareprésentation (~ satisfaisant
les conditions de ladéfini-
tion
1).
La démonstration est obtenue à
partir
de(13)
de manièreanalogue
àcelle du corollaire du théorème 15 a de
[1].
THÉORÈME 6 : Les
représentations
7t I> et 7tx sont unitairementéquivalentes
si et seulement si les
c0-suites 03A6
=1 (8)
03C6i et X =1 (8)
Xi sontéqui-
val en tes.
Démonstration : Notons d’abord
que C
et X satisfaisant(5),
on aX1) ?
0 et les notionsd’équivalence
etquasi-équivalence
deco-suites
coïncident.
Supposons 0
et X nonéquivalentes
et soientJCtot
= +H03C0x
7ttot == 7t~ + ’03C0x
(i.
e., la restrictionde 7t2
à~ot). ~ l’algèbre
de von Neumannengendrée
par 7ttotcr))
et P leprojecteur
deJetot
surD’après [4]
(proposition 5.2.4),
et T~x serontdisjointes,
doncinéquivalentes,
si etseulement si P
appartient
au centre de93,
i. e., si P n Ceci montrerala condition
nécessaire,
la condition suffisante est immédiate.Il est évident que P E il reste à voir que P E 93. Montrons d’abord que
projecteur
sur le vecteur C Eappartient
à ~. Ceci résultera du fait queP ~
est fortement adhérent à l’ensembled’opérateurs
de laforme
03C0tot(03A003C6i),
où J est unepartie
finiequelconque
de I. Eneffet,
siieJ
, X
C,
avec {1 Ea)
est un vecteur ded’après (7)
il suffitque J > J’ pour
que Pc Î (~.
xC)
= 0.Deuxièmement,
67
CONVOLUTION GAUCHE POUR LES SYSTÈMES INFINIS
si tJ.
XX,
avec ~. Ea)
est un vecteur de onpeut
rendre lanorme
arbitrairement
petite,
carpuisque
les deuxco-suites
sontinéquivalentes.
Leprojecteur Pf,
sur unvecteur
quelconque f
= f1. de~~ appartient
aussi à 93puisque
COROLLAIRE : 1 qpi, X
= TI
sont deuxco-suites de
vecteurs
égaux
03C6i = 03C60, ~i = xo, i EI,
lesreprésentations
03C003A6 et 1tx serontéquivalentes
seulement si q>o = Xo.Nous considérons dans la définition 1 une
co-suite O
=jj 0
03C6i d’élé-i EI i
ments satisfaisant
(5),
cequi d’après [2], Chap. II,
entraîne 1t-2 ~~ = f
Xfi*
où fi = f X Q; appartient
àl’espace
de Hilbert3o.,
et a pour norme1
= 1. On construit donc une
Co-suite C
àpartir
d’uneco-suite quelconque
d’élémentsnormalisés..C’est
cetteco-suite-ci qui
i~I
correspond
à celle utilisée par Klauder et McKenna dans[5].
La conditionnécessaire et suffisante du théorème 6 s’écrit en utilisant ces
co-suites
C’est la condition de
quasi-équivalence
desco-suites Il et 03A0~gi
puisque
68 S. MIRACLE-SOLE
La nécessité de cette condition pour
l’équivalence
desreprésentations
esten accord avec le résultat de
Klauder,
McKenna etWoods, prouvé
dans[6].
Ainsi à
chaque
classe dequasi-équivalence
duproduit
tensorieljj 0 3~.
nous faisons
correspondre
unereprésentation
irréductible essentiellementdifférente;
leur ensemble a unepuissance supérieure
à celle du continu.On
pourrait
se demander si on a construit ainsi toutes lesreprésentations
irréductibles de la
C*-algèbre a).
Ceci n’est pas le cas, en fait nouspouvons construire par la même méthode une infinité de nouvelles
repré-
sentations non
équivalentes.
Considérons un ensemble
Jk, k
E K departies
finiesdisjointes
de 1 tellesque Jk
= I. Danschaque ~.2(EJk, cr)
considérons un élémentidempotent
kE K
auto-adjoint
normalisé~k.
En suivant la définition 1 on construit unerepré-
sentation decr)
dans un sous-espace deTI 0 c).
En faisantkE K
varier la
co-suite 1 ® ~k
nous obtenons un ensemble dereprésentations
kE K
irréductibles, qui
inclut lesreprésentations
et pourlesquelles
un critèred’équivalence analogue
au théorème 6 est encore valable. On voit facilementqu’on
obtient desreprésentations
réellementnouvelles, déjà
parexemple
avec les
co-suites
formées d’élémentségaux.
§
4.EXTENSION
DESREPRÉSENTATIONS
A L’ESPACE
COMPLÉTÉ
On s’intéressera aux
représentations
des relations de commutationcanoniques
sur un espacetopologique (H, 0-),
parexemple, l’espace
deHilbert
mono-particulaire
pour leschamps libres, l’espace
des fonctions d’essai des distributions en théorieaxiomatique,
etc. Cet espace(H, G) apparaît
comme lecomplété
del’espace symplectique
formel(H, cr)
duparagraphe 1,
et nous nous proposons d’étendre à(H, or)
lesreprésentations
définies sur
(H, o).
Considérons un vecteur > x cD = g
0 j j j 0 q> 1,
où g E1:2(E1o ?),
___
iEI-J
de et
supposons 9
= + EH,
cette sommepeut
êtret~l
69
CONVOLUTION GAUCHE POUR LES SYSTÈMES INFINIS
maintenant
infinie,
parexemple
si H est hilbertien nous considérons tousalors,
formellementPour que
(14)
soit uneco-suite équivalente
il fautque
pour
tout Ç
E H..Cette condition entraîne la convergence du
produit
pour
tout Ç E H,
cequi
définit une fonctionnelle sur H(de
même aux autresco-suites
de£2(H, C) correspondent
des fonctionnelles surH).
Elle estsatisfaite pour la
représentation
deFock,
car[(xt)2
!~l +( yi)2]
+ 00entraîne
yi)
-1 [ +
00.Ï6l
La
représentation
unitaire de la X + oo est alors continue pourtout ~
EH,
cequi permet
de définirl’opérateur
dechamp
A{ ~ }.
Eneffet,
il suffit de vérifier la continuité de la fonction70 S. MIRACLE-SOLE
au
point
x = 0. Soit e >0,
il existe unepartie
finie J’ de 1 telle queet un nombre Xo > 0 tel
que 1 À 1
Xoimplique
puisque f *
X g et cpl,fel,
sont des fonctionscontinues,
d’oùce
qui
démontre la continuité.~(c~)
étant défini sur toutH,
on considère alors comme dans[1]
laC*-algèbre o)
et la forme définie pari bi
si ~
Ea)
où maintenant E est un sous-espace de dimension finiequelconque
de H. est une forme linéairepositive
sura)
aveclaquelle
on obtient par la construction deGelfand-Segal
unereprésentation
irréductible de
a)
dont la restriction àa)
coïncide avec lareprésentation
Lesinégalités
résultent de la convergence du
produit infini, qui
entraîne pour tout e > 0 l’existence d’unepartie
finie J de 1 telle queREMERCIEMENTS
1/auteur tient à
exprimer
sagratitude
au Professeur D. Kastlerqui
l’aconseillé tout au
long
de ce travail. Il remercieégalement
le Professeur G. Rideauauquel
il est redevable d’utiles discussions.71
CONVOLUTION GAUCHE POUR LES SYSTÈMES INFINIS
[1] KASTLER D., The
C*-algebras
of a free boson field I. Comm. Math.Phys.,
t.
1, 1965,
p. 14-18.[2] LOUPIAS G. et MIRACLE-SOLE
S., C*-algèbres
des systèmescanoniques.
I, Comm. Math.Phys.,
t.2,
1966, p. 31-48.[2a]
LOUPIAS G. et MIRACLE-SOLE S.,C*-algèbres
des systèmescanoniques.
II, Ann. Inst. Henri Poincaré, t.6, 1966,
p. 39-58.[3]
VON NEUMANN J., On infinite directproducts.
Compos.Math.,
t.6, 1938,
p. 1-77.
[4] DIXMIER J., Les
C*-algèbres
et leursreprésentations. Gauthier-Villars, Paris,
1964.
[5]
MCKENNA J. and KLAUDER J.R.,
Continuousreprésentations theory
V.J. Math.
Phys.,
t.6,1965,
p. 68-87.[6]
MCKENNA J., KLAUDER J. R. and WOODS E. J., Directproduct representations
of the Canonical commutation relations. J. Math.