Введение
Результат о топологии операторов на бесконечномерном комплексном гильбертовом пространстве. В математике теорема Койпера (в честь Николаса Койпера) — это результат о топологии операторов на бесконечномерном комплексном гильбертовом пространстве H. Она утверждает, что пространство GL(H) обратимых ограниченных эндоморфизмов H обладает свойством, что все отображения из любого конечного комплекса Y в GL(H) гомотопны постоянному, относительно топологии нормы на операторах. Значимым следствием, также называемым теоремой Койпера, является то, что эта группа слабо стягиваема, то есть все её гомотопические группы тривиальны. Этот результат имеет важное применение в топологической K-теории.
In mathematics, Kuiper's theorem (after Nicolaas Kuiper) is a result on the topology of operators on an infinite dimensional, complex Hilbert space H. It states that the space GL(H) of invertible bounded endomorphisms of H is such that all maps from any finite complex Y to GL(H) are homotopic to a constant, for the norm topology on operators. A significant corollary, also referred to as Kuiper's theorem, is that this group is weakly contractible, ie. all its homotopy groups are trivial. This result has important uses in topological K theory.
Общая топология общей линейной группы
Для конечномерного H эта группа будет комплексной общей линейной группой и ни в коем случае не стягиваемой. Фактически, она гомотопно эквивалентна своей максимальной компактной подгруппе, унитарной группе U пространства H. Доказательство того, что комплексная общая линейная группа и унитарная группа имеют один и тот же тип гомотопии, основано на процедуре Грама-Шмидта или матричном полярном разложении и переносится на бесконечномерный случай сепарабельного гильбертова пространства, в основном потому, что пространство верхнетреугольных матриц стягиваемо, что можно увидеть достаточно явно. Основной феномен заключается в том, что переход к бесконечному числу измерений приводит к исчезновению большей части топологической сложности унитарных групп; однако см. раздел об унитарной группе Ботта, где переход к бесконечности более ограничен, и в результате группа имеет нетривиальные гомотопические группы.
Исторический контекст и топология сфер
Удивительным фактом является то, что единичная сфера, иногда обозначаемая S∞, в бесконечномерном гильбертовом пространстве H является стягиваемым пространством, в то время как никакие сферы конечных измерений не являются стягиваемыми. Этот результат, безусловно известный за десятилетия до работ Куйпера, может иметь статус математического фольклора, но он довольно часто цитируется. Более того, верно следующее: S∞ диффеоморфна H, которая, несомненно, стягиваема благодаря своей выпуклости. Одним из следствий является существование гладких контрпримеров к расширению теоремы Брауэра о неподвижной точке на единичный шар в H. Существование таких контрпримеров, являющихся гомеоморфизмами, было показано в 1943 году Сидзуо Какутани, который, возможно, впервые записал доказательство стягиваемости единичной сферы. Однако результат в любом случае был в основном известен (в 1935 году Андрей Николаевич Тихонов показал, что единичная сфера является ретрактом единичного шара). Результат относительно группы ограниченных операторов был доказан голландским математиком Николаасом Куйпером для случая сепарабельного гильбертова пространства; ограничение сепарабельности впоследствии было снято. Тот же результат, но для сильной операторной топологии, а не нормы, был опубликован в 1963 году Жаком Диксмьером и Адриеном Дуади. Геометрическая связь сферы и группы операторов заключается в том, что единичная сфера является однородным пространством для унитарной группы U. Стабилизатор единичного вектора v на единичной сфере является унитарной группой ортогонального дополнения к v; следовательно, длинная точная последовательность гомотопий предсказывает, что все группы гомотопий единичной сферы будут тривиальными. Это демонстрирует тесную топологическую связь, но само по себе недостаточно, поскольку включение точки будет лишь слабой гомотопической эквивалентностью, а это непосредственно подразумевает стягиваемость только для CW-комплекса. В статье, опубликованной через два года после работ Куйпера,
Унитарная группа Ботта
Существует еще одна бесконечномерная унитарная группа, имеющая важное значение в теории гомотопий, к которой применима теорема о периодичности Ботта. Она, безусловно, не стягиваема. Различие от группы Куйпера можно объяснить так: группа Ботта — это подгруппа, в которой заданный оператор действует нетривиально только на подпространство, порожденное первыми N векторов фиксированного ортонормированного базиса {ei}, для некоторого N, и является тождественным оператором на остальных векторах базиса.
Приложения
Непосредственным следствием, исходя из общей теории расслоений, является то, что каждое гильбертово расслоение является тривиальным расслоением. Результат о стягиваемости S∞ дает геометрическое построение классифицирующих пространств для определенных групп, свободно действующих на нем, таких как циклическая группа порядка два и круговая группа. Унитарная группа U в смысле Ботта имеет классифицирующее пространство BU для комплексных векторных расслоений (см. Классифицирующее пространство для U(n)). Более глубокое применение, вытекающее из теоремы Куйпера, – это доказательство теоремы Атия — Яниха (названной в честь Клауса Яниха и Майкла Атия), утверждающее, что пространство операторов Фредгольма на H с топологией нормы представляет функтор K(.) топологической (комплексной) K-теории в смысле теории гомотопий. Это установлено Атией.
Случай с пространствами Банаха
Тот же вопрос можно задать об инвертируемых операторах в любом банаховом пространстве бесконечной размерности. Здесь имеются лишь частные результаты. Некоторые классические пространства последовательностей обладают тем же свойством, а именно, группа инвертируемых операторов в них сократима. С другой стороны, известны примеры, когда эта группа не является связным пространством. В случаях, когда все гомотопические группы известны как тривиальные, сократимость в некоторых случаях может оставаться не установленной.