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<!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.1 plus MathML 2.0//EN"

"http://www.w3.org/TR/MathML2/dtd/xhtml-math11-f.dtd">

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<title>Dualities on K(H), B(H)...</title>

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</head>

<body>
<div class="header"><p>				<a href="../index.html">makotosite</a> : <a href="opsem.html">Operator theory seminars</a> : Duality B(H) = K(H)**			</p></div>

<h1 class="title">Dualities on K(H), B(H)...</h1>



<p>Notation. <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>H</mi>



</math> will denote a Hilbert space, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>B</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math> the algebra of

the bounded operators on <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>H</mi>



</math>, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math> the ideal of the compact

operators, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>



</math> the dual of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>H</mi>



</math>.</p>



<p><math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math> is identified with the injective tensor product <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>

<mover><mrow><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi>

</math>. On the other hand, <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>B</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math> is identified

with the space <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mrow><mo>(</mo>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow> <mo>*</mo></msup>



</math> via <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&lt;</mi>

<mi>T</mi><mo>,</mo><msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup><mo>&otimes;</mo><mi>y</mi><mi>&gt;</mi><mo>=</mo><msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup><mi>Ty</mi>

</math> (note that I permuted <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>H</mi>



</math> and <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>



</math> from the talk on

Oct 19 for simplicity). We have three mappings</p>



<ol>

<li><math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>t</mi>

<mo>:</mo><msup><mrow><mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow> <mo>*</mo></msup><mo>&rightarrow;</mo><mi>B</mi><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math> as the transpose of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>

<mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi><mo>&rightarrow;</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi>

</math>.</li>



<li><math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>f</mi>

<mo>:</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi><mo>&rightarrow;</mo><mi>B</mi><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math> as the composition of

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>

<mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi><mo>&rightarrow;</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi>

</math> and the

inclusion <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo><mo>&rightarrow;</mo><mi>B</mi><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math>.</li>



<li><math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>g</mi>

<mo>:</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi><mo>&rightarrow;</mo><msup><mrow><mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow> <mo>*</mo></msup>

</math> by <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup>

<mo>&otimes;</mo><mi>y</mi><mo>&rightarrow;</mo><mo>(</mo><msup><mi>u</mi> <mo>*</mo></msup><mo>&otimes;</mo><mi>v</mi><mo>&map;</mo><msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup><mi>v</mi><mo>.</mo><msup><mi>u</mi> <mo>*</mo></msup><mi>y</mi><mo>)</mo>

</math>.</li>

</ol>



<p>We have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>f</mi>

<mo>=</mo><mi>gt</mi>

</math>. By the theorem of Hahn-Banach, the injectivity

of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>g</mi>



</math> follows from the surjectivity of its tranpose <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>g</mi> <mi>t</mi></msup>

<mo>:</mo><msup><mrow><mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow> <mrow><mo>*</mo>

<mo>*</mo></mrow></msup><mo>&rightarrow;</mo><mi>B</mi><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math>. Now we can explicitly construct an

inverse mapping to <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>g</mi> <mi>t</mi></msup>



</math>: Let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>h</mi>



</math> denote the composition of of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>

<mo>&otimes;</mo><mi>H</mi><mo>&rightarrow;</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>H</mi>

</math> and <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>g</mi>



</math>. By the

surfectivity of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>g</mi>



</math> the image of <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>h</mi>



</math> is dense.</p>



<p>Lemma. For any <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>w</mi>

<mo>&Element;</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup><mo>&otimes;</mo><mi>H</mi>

</math> and any <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>T</mi>

<mo>&Element;</mo><mi>B</mi><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo>

</math>, we

have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>|</mo>

<mi>&lt;</mi><mi>T</mi><mo>,</mo><mi>w</mi><mi>&gt;</mi><mo>|</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>)</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>.</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>T</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

</math></p>



<p>Proof. <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>w</mi>



</math> can be written as <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msubsup><mo lspace="thinmathspace" rspace="thinmathspace">&Sum;</mo> <mrow><mi>i</mi>

<mo>=</mo><mn>0</mn></mrow> <mrow><mi>n</mi>

</mrow></msubsup>

<msup><mrow><mo>(</mo>

<msub><mi>x</mi> <mi>i</mi></msub><mo>)</mo></mrow> <mo>*</mo></msup><mo>&otimes;</mo><msub><mi>y</mi> <mi>i</mi></msub>

</math> for some <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mrow><msub><mi>x</mi> <mi>i</mi></msub>

</mrow> <mo>*</mo></msup>

<mo>&Element;</mo><msup><mi>H</mi> <mo>*</mo></msup>

</math> and <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>y</mi> <mi>i</mi></msub>

<mo>&Element;</mo><mi>H</mi>

</math>. Let <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>P</mi>



</math> be the

projection operator onto the finite dimensional space generated by

the <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msub><mi>y</mi> <mi>i</mi></msub>



</math> for <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mn>0</mn>

<mo>&leq;</mo><mi>i</mi><mo>&leq;</mo><mi>n</mi>

</math>. Then <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>TP</mi>



</math> is compact and we have

<math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>&lt;</mi>

<mi>T</mi><mo>,</mo><mi>w</mi><mi>&gt;</mi><mo>=</mo><mi>&lt;</mi><mi>TP</mi><mo>,</mo><mi>w</mi><mi>&gt;</mi><mo>=</mo><mi>&lt;</mi><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>)</mo><mo>,</mo><mi>TP</mi><mi>&gt;</mi>

</math>, hence <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mo>|</mo>

<mi>&lt;</mi><mi>T</mi><mo>,</mo><mi>w</mi><mi>&gt;</mi><mo>|</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>)</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>.</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>TP</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>&leq;</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>h</mi><mo>(</mo><mi>w</mi><mo>)</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mo>.</mo><mo>&DoubleVerticalBar;</mo><mi>T</mi><mo>&DoubleVerticalBar;</mo>

</math>.</p>



<p>From this lemma we get a continuos linear mapping <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<mi>a</mi>

<mo>:</mo><mi>B</mi><mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo><mo>&rightarrow;</mo><msup><mrow><mi>K</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow> <mrow><mo>*</mo>

<mo>*</mo></mrow></msup>

</math>. Finally we have <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML'>

<msup><mi>g</mi> <mi>t</mi></msup>

<mo>&SmallCircle;</mo><mi>a</mi><mo>=</mo><msub><mi>id</mi> <mrow><mi>B</mi>

<mo>(</mo><mi>H</mi><mo>)</mo></mrow></msub>

</math>

by <math xmlns='http://www.w3.org/1998/Math/MathML' display='block'>

<mi>&lt;</mi>

<msup><mi>g</mi> <mi>t</mi></msup><mo>&SmallCircle;</mo><mi>a</mi><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo><mo>,</mo><msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup><mover><mrow><mo>&otimes;</mo>

</mrow><mo>&Hat;</mo></mover><mi>y</mi><mi>&gt;</mi><mo>=</mo><mi>&lt;</mi><mi>a</mi><mo>(</mo><mi>T</mi><mo>)</mo><mo>,</mo><mi>h</mi><mo>(</mo><msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup><mo>&otimes;</mo><mi>y</mi><mo>)</mo><mi>&gt;</mi><mo>=</mo><mi>&lt;</mi><mi>T</mi><mo>,</mo><msup><mi>x</mi> <mo>*</mo></msup><mo>&otimes;</mo><mi>y</mi><mi>&gt;</mi><mo>.</mo>

</math></p>



<div class="footer">

<p>This document was written by <a

href="mailto:makotoy@ms.u-tokyo.ac.jp">Yamashita Makoto</a>. Last

update on 2005-10-19.</p>

</div>

</body>

</html>




