함수해석학에서 바나흐 대수(Banach代數, 영어: Banach algebra)는 바나흐 공간과 결합 대수의 구조를 서로 호환되게 갖춘 집합이다.[1][2][3] 대표적인 예로 콤팩트 하우스도르프 공간 위의 연속 함수 공간이나 바나흐 공간 위의 유계 작용소 공간이 있다.
가 실수체 또는 복소수체 가운데 하나라고 하자. -노름 대수(영어: normed -algebra) 는 다음과 같은 구조가 주어진 집합이다.[1]:4, Definition I.10
- 는 -노름 공간이다.
- 는 -결합 대수이다.
또한, 노름 공간 구조와 결합 대수 구조 사이에 다음과 같은 두 호환 조건이 주어져야 한다.
- (노름 부등식)
- (항등원의 노름)
(일부 문헌에서는 곱셈 항등원을 가져야 하는 조건을 생략한다.[4]:246, §10.1)
만약 가 사실 바나흐 공간이라면 (즉, 완비 거리 공간이라면), -바나흐 대수(영어: Banach -algebra)라고 한다.[1]:4, Definition I.10[4]:245, Definition 10.1
반대 대수
-노름 대수 에 대하여, 그 반대환 , 즉
에 같은 노름을 부여하면, 역시 -노름 대수를 이룬다.[1]:6, Example I.17 또한, 환 연산은 노름 공간 구조와 상관이 없으므로, 만약 가 바나흐 대수라면 역시 바나흐 대수이다.
직합
유한 또는 무한 개의 -바나흐 대수들 이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 직접곱의 부분 공간
위에 L1 노름
및 성분별 곱
을 부여하면, 이 역시 -바나흐 대수를 이룬다. 이 경우 의 항등원은
이다.
복소화
실수 바나흐 대수 가 주어졌을 때, 그 복소화
위에 노름
과 곱셈
을 부여하면, 이는 복소수 바나흐 대수를 이룬다.
완비화
-노름 대수 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 그 완비화 는 다음과 같이 자연스럽게 -바나흐 공간을 이룬다.
(여기서 는 로 수렴하는, 속의 임의의 코시 열이다.) 그 위에 곱셈
을 정의하면, 는 -바나흐 대수를 이룬다. (여기서 와 는 각각 로 수렴하는, 속의 임의의 두 코시 열이다.) 이를 의 완비화(完備化, 영어: completion)라고 한다.[1]:5, Definition I.13
무게 부여
-바나흐 대수 의 원소 가 주어졌으며, 이라고 하자. 또한, 가 가역원이며, 중심에 속한다고 하자.
이 경우, 위에 새 이항 연산 를 다음과 같이 부여하자.
그렇다면 역시 -바나흐 대수를 이루며, 에 대한 항등원은 이다.
겔판트 표현
가환 복소수 바나흐 대수 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 다음 두 집합 사이에 표준적인 전단사 함수가 존재한다.
- 의 극대 아이디얼의 집합
- (항등원을 보존하는) 결합 대수 준동형 의 집합 . (이는 물론 전단사 함수이어야 한다.)
구체적으로, 이는 다음과 같이 정의된다.
- 극대 아이디얼 에 대하여, 은 체인 복소수 바나흐 대수이므로, 이다. 따라서, 몫 준동형 이 존재한다.
이 때문에, 의 극대 아이디얼은 지표(指標, 영어: character)라고도 한다.
임의의 지표 는 항상 연속 함수이다. (이는 그 핵 는 항상 닫힌집합이기 때문이다.) 또한, 그 작용소 노름은 항상 1이다. 이에 따라, 위에 점별 수렴 위상을 부여하면, 는 콤팩트 하우스도르프 공간을 이룬다. 특히, 복소수 바나흐 대수 를 정의할 수 있다.
이 경우, 의 겔판트 표현(Гельфанд表現, 영어: Gelfand representation)은 다음과 같다.
이는 결합 대수 준동형을 이루며, 또한 스펙트럼을 보존한다. 즉, 다음이 성립한다.
여기서 우변은 복소수 바나흐 대수 에서 취한 스펙트럼이다.
유클리드 공간
자연수 에 대하여, 유한 차원 -벡터 공간 위에 1-노름
및 성분별 곱
을 부여하면, 이는 가환 -바나흐 대수를 이룬다. 그 가역원군은
이다.
C* 대수
모든 C* 대수는 복소수 바나흐 대수를 이룬다. 구체적으로, C* 대수 가 주어졌을 때, 그 위에 노름
을 부여하면 이는 바나흐 대수를 이룬다.
‘바나흐 대수’라는 이름은 스테판 바나흐를 딴 것이다. 그러나 바나흐 대수의 이론은 스테판 바나흐와 큰 관계가 없으며, 다만 바나흐가 연구한 바나흐 공간을 이루기 때문에 이러한 이름이 붙었다.[5]
바나흐 대수의 개념은 나구모 미치오(일본어: 南雲 道夫, 1905~1995)가 1936년에 ‘선형 계량환’(독일어: linearer metrischer Ring)이라는 이름으로 도입하였다.[5][6] 이후 이즈라일 겔판트가 이를 ‘노름환’(독일어: normierter Ring)이라는 이름으로 재도입하였고, 이에 대하여 자세히 연구하였다.[5][7] 1945년에 워런 앰브로즈(영어: Warren Ambrose, 1914~1995)가 ‘바나흐 대수’(영어: Banach algebra)라는 용어를 도입하였다.[5][8]
아렌스 곱은 리하르트 프리드리히 아렌스(독일어: Richard Friederich Arens, 1919~2000)가 1951년에 도입하였다.[9][10]
겔판트-마주르 정리는 이즈라일 겔판트와 스타니스와프 마주르의 이름을 땄다. 마주르가 1938년에 증명하였는데[11][12], 저널에 페이지가 모자라 증명을 싣지 못하고 정리 자체만 출판하였다. 1941년에 이즈라일 겔판트가 독자적으로 증명하였다.[7]
Dales, H. Garth; Aeina, Pietro; Eschmeier, Jörg; Laursen, Kjeld; Willis, George A. (2003). 《Introduction to Banach Algebras, Operators and Harmonic Analysis》. Cambridge University Press (영어). ISBN 0-521-53584-0.
Mosak, Richard D. (1975). 《Banach algebras》. Chicago Lectures in Mathematics (영어). ISBN 0-226-54203-3.