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解法: 交差族によるMarcus–Spielman–Srivastavaの証明(2013年)

ステップ 1/8: 無限次元作用素の問題からWeaverの KS2KS_2 へ
ざっくり言うと

1959年、リチャード・カディソンとアイザック・シンガーは無限次元空間 ℓ2\ell^2 上の「観測点」に関する問いを立てた:ある物理量が固定された一組の座標軸(対角線)に沿ってどう振る舞うかだけを知っているとき、その知識を空間全体へ誠実に拡張する方法はただ一つしかないのか?45年間誰もこれを解決できなかった。

Nik Weaverはこの抽象的な問いをほぼ組合せ論的なものへと縮小する方法を見つけた:ベクトルの山を二つのよく釣り合った群に分けるという純粋に有限次元的な命題 KS2KS_2 である。小さく具体的なパズル KS2KS_2 を解けば、巨大で抽象的な問いも解決される。

state extends uniquely on B(ℓ2)  ⟺  KS2:∑ivivi∗=Id, ∥vi∥2≤δ  ⟹  ∃ S1,S2\text{state extends uniquely on } B(\ell^2) \iff KS_2: \sum_i v_iv_i^*=I_d,\ \|v_i\|^2\le\delta \implies \exists\, S_1,S_2
詳しい解説

Kadison–Singer の1959年の問題は状態に関するものである。B(ℓ2)B(\ell^2) の中の対角代数 D≅ℓ∞D \cong \ell^\infty 上の純粋状態は N\mathbb{N} 上の超フィルターで決まり、その Hahn–Banach による B(ℓ2)B(\ell^2) 全体への純粋状態への拡張が一意に定まるかが問われた。Weaver の KS2KS_2 における仮定 ∑ivivi∗=Id\sum_i v_i v_i^* = I_d は恒等写像のタイトフレーム分解の有限次元の影であり、∥vi∥2≤δ\|v_i\|^2 \le \delta は「対角部分が拡散的である」ことを置き換える小ささの条件である。すなわち、どのベクトルも IdI_d の巨視的な割合を担わない。

Weaver の2004年の定理(Discrete Mathematics 278)は、この作用素代数の問題を可算個の有限次元のペービング命題の族に帰着する。その中で KS2KS_2 が最も鋭い形であり、作用素ノルム ∥∑i∈Sjvivi∗∥\|\sum_{i \in S_j} v_i v_i^*\| が両方とも 11 未満に保たれるように添字集合を S1,S2S_1, S_2 に分割する。定数は定性的でなく定量的に重要である。最終的な証明が与える評価は (1+2δ)2/2(1+\sqrt{2\delta})^2/2 であり、これが <1< 1 となるのは、必要に応じて(フレームを細分することで)∥vi∥2≤δ\|v_i\|^2 \le \delta から δ→0\delta \to 0 とできるためである。

証明の残りは二度と ℓ2\ell^2 や B(ℓ2)B(\ell^2) には触れない。各ステップは有限個のベクトル viv_i と階数1の行列 vivi∗v_i v_i^* のみを扱う。これが、C∗C^*-代数論で生まれた問題が多項式の方法による議論で決着できる理由である。

このステップの用語
純粋状態
作用素環論において、状態とはあらゆる作用素に対して量子力学の規則に沿った「期待値」を割り当てる方法であり、純粋状態とはそれ以上分割できない極値的な割り当てであり、複数の混合ではなく単一の確定した物理的配置に近いものである。
対角極大可換部分環(masa)
互いに可換な(したがって同時に測定できる)作用素の部分集合で、その性質を保ったままこれ以上大きくできないもの。ℓ2\ell^2 上の対角作用素はその自然な例である。
このステップで使う知識