Einige Worte zum Beweis folgen im nächsten Abschnitt. Man beachte, dass aus σ(pqp) = [0, 1] auch σ(qpq) = [0, 1]folgt. (↗ Übung).Um dieses als 2-Projektoren-Satz von Halmos bekannte Resultat für die Algebra B = A x mit p = π x (P), q = π x (χ x I)ausnutzen zu können, benötigen wir dasSpektrum vonpqp = π x (P)π x (χ x I)π x (P) = π x (Pχ x P). Nun ist die Matrixdarstellungdes Operators Pχ x P gerade, <strong>und</strong> es ist nicht schwer einzusehen, dass das lokale Spektrum0 00 T(χ x )von Pχ x P im Punkt x genau mit dem bereits bestimmten lokalen Spektrum des Toeplitzoperators T(χ x ) in x übereinstimmt,also mit [0,1]. Damit ist Satz 4.2.8 in unserer Situation anwendbar.Eshat sicheingebürgert, diesen Satz so zu benutzen, dass dem Projektor π x (χ x I) die konstante Funktion t →1 0entspricht. (Nach oben gemachter Bemerkung können wir ja die Rollen von p <strong>und</strong> q vertauschen.) Der0 0Nebenklasse π x (aP + bQ) mit a, b ∈ PC ordnen wir also die folgende Matrixfunktion zu: Wegenπ x (aP + bQ) = (a(x + 0)π x (χ x ) + a(x − 0)(π x (I) − π x (χ x )))π x (P)+ (b(x + 0)π x (χ x ) + (b(x − 0)(π x (I) − π x (χ x )))(π x (I) − π x (P))ist das die Funktiont →+= 1 00 0a(x + 0)+ a(x − 0)t t(1 − t)0 00 1 t(1 − t) 1 − t 1 00 0b(x + 0)+ b(x − 0)1 − t −t(1 − t)0 00 1 − t(1 − t) t a(x + 0)t + b(x + 0)(1− t) (a(x + 0) − b(x + 0)) t(1 − t).(a(x − 0) − b(x − 0)) t(1 − t) a(x − 0)(1 − t) + b(x − 0)t(4.2.11)Die lokale Nebenklasse π x (aP + bQ) ist genau dann invertierbar, wenn die Funktion 4.2.11 für jedes t ∈ [0, 1] invertierbarist, <strong>und</strong> nach dem lokalen Prinzip ist aP + bQ genau dann Fredholmsch, wenn für jedes x ∈ die Funktion 4.2.11in jedem Punkt t ∈ [0, 1] invertierbar ist4.3 <strong>Banach</strong>algebren mit polynomialer IdentitätDer Beweis des Halmos’schen 2-Projektoren-Satzes <strong>und</strong> einer Reihe weiterer Resultate beruht auf einer Verallgemeinerungder Gelfandtheorie für kommutative <strong>Banach</strong>algebren, welche auf einer anderen Idee als die lokalen Prinzipienberuht. Eine kommutative Algebra ist offensichtlich dadurch ausgezeichnet, dass das Polynom P(x, y) := x y − y x inzwei nichtkommutierenden Variablen x, y zu 0 wird, wenn man für x <strong>und</strong> y beliebige Elemente der Algebra einsetzt.Allgemein nennt man eine Algebra A eine Algebra mit polynomialer Identitüt (oder kurz PI-Algebra), wenn es einPolynom P(x 1 , . . . , x n ) in n nicht kommutierenden Variablen x 1 , . . . , x n gibt, so dassP(a 1 , . . . , a n ) = 0 ∀ a 1 , . . . , a n ∈ A.Als besonders nützlich haben sich die sogenannten Standardpolynome F n erwiesen, die durch∑F n (x 1 , . . . , x n ) := sgn σx σ(1) · · · x σ(n)σ∈S ndefiniert sind. Hier ist S n die Menge der Permutationen der Menge {1, 2, . . . , n} <strong>und</strong> sgn σ das Vorzeichen der Permutationσ. Erfüllt eine Algebra A das Standardpolynom F n , so heiüt sie auch F n -Algebra.Offenbar ist F(x 1 , x 2 ) = x 1 x 2 − x 2 x 1 . Die F 2 -<strong>Algebren</strong> sind also gerade die kommutativen <strong>Algebren</strong>.Satz 4.3.1 (Amitsur/Levitzki). Die Algebra n×n ist eine F 2n -Algebra, jedoch keine F 2k -Algebra für k < n.Der Beweis ist nicht ganz einfach, siehe z.B. N.Krupnik: <strong>Banach</strong>algebras with symbol and singular integral operators,Birkhüuser. An einem einfachen Beweis würe ich sehr interessiert.Dieses Resultat legt bereits nahe, dass für PI-<strong>Algebren</strong> Darstellungen als Matrixalgebren wichtig sein könnten. Tatsächlichhat man für F 2n -<strong>Banach</strong>algebren die folgende Verallgemeinerung der Gelfandtheorie für kommutative <strong>Banach</strong>algebren:73
Satz 4.3.2. Sei A eine <strong>Banach</strong>algebra mit Eins e, die das Standardpolynom F 2n erfüllt.(i) Dann ist für jedes maximale Ideal I von A die Faktoralgebra A/I isomorph zu l×l mit einem l ≤ n, <strong>und</strong>(ii) ein Element a ∈ A ist genau dann invertierbar, wenn für jedes maximale Ideal I die Matrix f I (a) := ϕ I (a)π I (a)invertierbar ist, wobei π I : A → A/I der kanonische Homomorphismus <strong>und</strong> ϕ I : A/I → l×l ein nach a)existierender Homomorphismus ist.Den Beweis findet man im zitierten Buch von N.Krupnik. Für uns ist dieser Satz besonders aus folgendem Gr<strong>und</strong>interessant:Satz 4.3.3. Sei A eine <strong>Banach</strong>algebra, die durch zwei Idempotente p <strong>und</strong> q (d.h. p 2 = p <strong>und</strong> q 2 = q) <strong>und</strong> durch dasEinselement erzeugt wird. Dann ist A eine F 4 -Algebra.Dies kann man durch direktes Nachrechnen überprüfen. Satz 4.3.2 ist also prinzipiell anwendbar <strong>und</strong> es gelingt indiesem Fall, die Homomorphismen f I : A → l×l mit l = 1 oder l = 2 komplett zu beschreiben:Satz 4.3.4. Sei A eine <strong>Banach</strong>algebra, die durch zwei Idempotente p, q <strong>und</strong> durch das Einselement e erzeugt wird. Danngilt:(i) Für jedes x ∈ σ(pqp + (e − p)(e − q)(e − p)) \ {0, 1} lässt sich die Abbildung F x : {e, p, q} → 2×2F x (e) = 1 0, F0 1 x (p) = 1 0, F0 0 x (q) = x(1 − x),xx(1 − x) 1 − xwobei x(1 − x) irgendeine Zahl ist, deren Quadrat gleich x(1 − x) ist, zu einem stetigen Algebrahomomorphismusvon A in 2×2 fortsetzen.(ii) Für jedes m ∈ σ(p+2q)∩{0, 1, 2, 3} lässt sich die Abbildung G m : {e, p, q} → 1×1 , G 0 (e) = 1, G 0 (p) = G 0 (q) = 0,G 1 (e) = G 1 (p) = 1, G 1 (q) = 0, G 2 (e) = G 2 (q) = 1, G 2 (p) = 0, G 3 (e) = G 3 (p) = G 3 (q) = 1 zu einem stetigenAlgebrahomomorphismus von A in 1×1 fortsetzen.(iii) Ein Element a ∈ A ist genau dann invertierbar, wenn die Matrizen F x (a) für allex ∈ σ(pqp + (e − p)(e − q)(e − p)) \ {0, 1} invertierbar <strong>und</strong> die Zahlen G m (a) für alle m ∈ σ(p + 2q) ∩ {0, 1, 2, 3}ungleich 0 sind.74