I Operators on Hilbert Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I.1 Hilbert Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I.1.1 Inner Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
I.1.2 Orthogonality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
I.1.3 Dual Spaces and Weak Topology . . . . . . . . . . . . . . . 3
I.1.4 Standard Constructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
I.1.5 Real Hilbert Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.2 Bounded Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I.2.1 Bounded Operators on Normed Spaces . . . . . . . . . . 5
I.2.2 Sesquilinear Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
I.2.3 Adjoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
I.2.4 Self-Adjoint, Unitary, and Normal Operators . . . . 8
I.2.5 Amplifications and Commutants . . . . . . . . . . . . . . . 9
I.2.6 Invertibility and Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
I.3 Other Topologies on L(H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.3.1 Strong and Weak Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
I.3.2 Properties of the Topologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
I.4 Functional Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
I.4.1 Functional Calculus for Continuous Functions . . . . 18
I.4.2 Square Roots of Positive Operators . . . . . . . . . . . . . 19
I.4.3 Functional Calculus for Borel Functions . . . . . . . . . 19
I.5 Projections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
I.5.1 Definitions and Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . 20
I.5.2 Support Projections and Polar Decomposition . . . 21
I.6 The Spectral Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
I.6.1 Spectral Theorem for Bounded Self-Adjoint
Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
I.6.2 Spectral Theorem for Normal Operators . . . . . . . . 25
I.7 Unbounded Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I.7.1 Densely Defined Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
I.7.2 Closed Operators and Adjoints . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
XVI Contents
I.7.3 Self-Adjoint Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
I.7.4 The Spectral Theorem and Functional Calculus
for Unbounded Self-Adjoint Operators . . . . . . . . . . 32
I.8 Compact Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
I.8.1 Definitions and Basic Properties . . . . . . . . . . . . . . . 36
I.8.2 The Calkin Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
I.8.3 Fredholm Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
I.8.4 Spectral Properties of Compact Operators . . . . . . . 40
I.8.5 Trace-Class and Hilbert-Schmidt Operators . . . . . . 41
I.8.6 Duals and Preduals, σ-Topologies . . . . . . . . . . . . . . 43
I.8.7 Ideals of L(H) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
I.9 Algebras of Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
I.9.1 Commutant and Bicommutant . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
I.9.2 Other Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
II C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.1 Definitions and Elementary Facts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.1.1 Basic Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
II.1.2 Unitization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
II.1.3 Power series, Inverses, and Holomorphic Functions 54
II.1.4 Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
II.1.5 Holomorphic Functional Calculus . . . . . . . . . . . . . . 55
II.1.6 Norm and Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
II.2 Commutative C*-Algebras and Continuous Functional
Calculus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
II.2.1 Spectrum of a Commutative Banach Algebra . . . . 59
II.2.2 Gelfand Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
II.2.3 Continuous Functional Calculus . . . . . . . . . . . . . . . . 61
II.3 Positivity, Order, and Comparison Theory . . . . . . . . . . . . . . . . 63
II.3.1 Positive Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
II.3.2 Polar Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
II.3.3 Comparison Theory for Projections . . . . . . . . . . . . . 72
II.3.4 Hereditary C*-Subalgebras and General
Comparison Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
II.4 Approximate Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
II.4.1 General Approximate Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
II.4.2 Strictly Positive Elements and σ-Unital
C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
II.4.3 Quasicentral Approximate Units . . . . . . . . . . . . . . . 82
II.5 Ideals, Quotients, and Homomorphisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
II.5.1 Closed Ideals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
II.5.2 Nonclosed Ideals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
II.5.3 Left Ideals and Hereditary Subalgebras . . . . . . . . . 89
II.5.4 Prime and Simple C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
II.5.5 Homomorphisms and Automorphisms . . . . . . . . . . . 95
Contents XVII
II.6 States and Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
II.6.1 Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
II.6.2 Positive Linear Functionals and States . . . . . . . . . . 103
II.6.3 Extension and Existence of States . . . . . . . . . . . . . . 106
II.6.4 The GNS Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
II.6.5 Primitive Ideal Space and Spectrum . . . . . . . . . . . . 111
II.6.6 Matrix Algebras and Stable Algebras . . . . . . . . . . . 116
II.6.7 Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
II.6.8 Traces and Dimension Functions . . . . . . . . . . . . . . . 121
II.6.9 Completely Positive Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
II.6.10 Conditional Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
II.7 Hilbert Modules, Multiplier Algebras, and Morita Equivalence137
II.7.1 Hilbert Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
II.7.2 Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
II.7.3 Multiplier Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
II.7.4 Tensor Products of Hilbert Modules . . . . . . . . . . . . 147
II.7.5 The Generalized Stinespring Theorem . . . . . . . . . . 149
II.7.6 Morita Equivalence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
II.8 Examples and Constructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
II.8.1 Direct Sums, Products, and Ultraproducts . . . . . . 154
II.8.2 Inductive Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
II.8.3 Universal C*-Algebras and Free Products . . . . . . . 158
II.8.4 Extensions and Pullbacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
II.8.5 C*-Algebras with Prescribed Properties . . . . . . . . . 176
II.9 Tensor Products and Nuclearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
II.9.1 Algebraic and Spatial Tensor Products . . . . . . . . . . 180
II.9.2 The Maximal Tensor Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
II.9.3 States on Tensor Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
II.9.4 Nuclear C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
II.9.5 Minimality of the Spatial Norm . . . . . . . . . . . . . . . . 186
II.9.6 Homomorphisms and Ideals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
II.9.7 Tensor Products of Completely Positive Maps . . . 190
II.9.8 Infinite Tensor Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
II.10 Group C*-Algebras and Crossed Products . . . . . . . . . . . . . . . . 192
II.10.1 Locally Compact Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
II.10.2 Group C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
II.10.3 Crossed products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
II.10.4 Transformation Group C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . 205
II.10.5 Takai Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
II.10.6 Structure of Crossed Products . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
II.10.7 Generalizations of Crossed Product Algebras . . . . 212
II.10.8 Duality and Quantum Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
XVIII Contents
III Von Neumann Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
III.1 Projections and Type Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
III.1.1 Projections and Equivalence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
III.1.2 Cyclic and Countably Decomposable Projections . 225
III.1.3 Finite, Infinite, and Abelian Projections . . . . . . . . . 227
III.1.4 Type Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
III.1.5 Tensor Products and Type I von Neumann
Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
III.1.6 Direct Integral Decompositions . . . . . . . . . . . . . . . . 237
III.1.7 Dimension Functions and Comparison Theory . . . 240
III.1.8 Algebraic Versions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
III.2 Normal Linear Functionals and Spatial Theory . . . . . . . . . . . . 244
III.2.1 Normal and Completely Additive States . . . . . . . . . 245
III.2.2 Normal Maps and Isomorphisms
of von Neumann Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
III.2.3 Polar Decomposition for Normal Linear
Functionals and the Radon-Nikodym Theorem . . . 257
III.2.4 Uniqueness of the Predual and Characterizations
of W*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
III.2.5 Traces on von Neumann Algebras . . . . . . . . . . . . . . 260
III.2.6 Spatial Isomorphisms and Standard Forms . . . . . . 269
III.3 Examples and Constructions of Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
III.3.1 Infinite Tensor Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
III.3.2 Crossed Products and the Group Measure
Space Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
III.3.3 Regular Representations of Discrete Groups . . . . . 288
III.3.4 Uniqueness of the Hyperfinite II1 Factor . . . . . . . . 291
III.4 Modular Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
III.4.1 Notation and Basic Constructions . . . . . . . . . . . . . . 293
III.4.2 Approach using Bounded Operators . . . . . . . . . . . . 295
III.4.3 The Main Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
III.4.4 Left Hilbert Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
III.4.5 Corollaries of the Main Theorems . . . . . . . . . . . . . . 299
III.4.6 The Canonical Group of Outer Automorphisms
and Connes’ Invariants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
III.4.7 The KMS Condition and the Radon-Nikodym
Theorem for Weights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
III.4.8 The Continuous and Discrete Decompositions
of a von Neumann Algebra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
III.4.8.1 The Flow of Weights. . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
III.5 Applications to Representation Theory of C*-Algebras . . . . . 313
III.5.1 Decomposition Theory for Representations . . . . . . 313
III.5.2 The Universal Representation and Second Dual . . 318
Contents XIX
IV Further Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
IV.1 Type I C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
IV.1.1 First Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
IV.1.2 Elementary C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
IV.1.3 Liminal and Postliminal C*-Algebras . . . . . . . . . . . 327
IV.1.4 Continuous Trace, Homogeneous,
and Subhomogeneous C*-Algebras. . . . . . . . . . . . . . 329
IV.1.5 Characterization of Type I C*-Algebras . . . . . . . . . 337
IV.1.6 Continuous Fields of C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . 340
IV.1.7 Structure of Continuous Trace C*-Algebras . . . . . . 344
IV.2 Classification of Injective Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
IV.2.1 Injective C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
IV.2.2 Injective von Neumann Algebras . . . . . . . . . . . . . . . 353
IV.2.3 Normal Cross Norms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
IV.2.4 Semidiscrete Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
IV.2.5 Amenable von Neumann Algebras . . . . . . . . . . . . . . 365
IV.2.6 Approximate Finite Dimensionality . . . . . . . . . . . . . 367
IV.2.7 Invariants and the Classification of Injective
Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
IV.3 Nuclear and Exact C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
IV.3.1 Nuclear C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
IV.3.2 Completely Positive Liftings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
IV.3.3 Amenability for C*-Algebras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
IV.3.4 Exactness and Subnuclearity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
IV.3.5 Group C*-Algebras and Crossed Products . . . . . . . 391
V K-Theory and Finiteness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
V.1 K-Theory for C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
V.1.1 K0-Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
V.1.2 K1-Theory and Exact Sequences . . . . . . . . . . . . . . . 402
V.1.3 Further Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
V.1.4 Bivariant Theories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
V.1.5 Axiomatic K-Theory and the Universal
Coefficient Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
V.2 Finiteness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
V.2.1 Finite and Properly Infinite Unital C*-Algebras . . 418
V.2.2 Nonunital C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
V.2.3 Finiteness in Simple C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . 430
V.2.4 Ordered K-Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
V.3 Stable Rank and Real Rank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
V.3.1 Stable Rank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
V.3.2 Real Rank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
V.4 Quasidiagonality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
V.4.1 Quasidiagonal Sets of Operators . . . . . . . . . . . . . . . 457
V.4.2 Quasidiagonal C*-Algebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
XX Contents
V.4.3 Generalized Inductive Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505