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Indice di Fredholm

1903
  • Erik Ivar Fredholm
Mathematician's desk with functional analysis materials and equations on Fredholm index.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

L'indice di Fredholm generalizza l' teorema di rango-nullità agli spazi a dimensione infinita come gli spazi di Banach. Per un operatore di Fredholm [latex]T: X to Y[/latex], il suo indice è definito come [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex], dove la dimensione di Cokernel’s misura quanto l'immagine è lontana dall'essere l'intero spazio. Questo indice è un valore intero stabile sotto piccole perturbazioni dell'operatore.

Il teorema di rango-nullità, [latex]\dim(V) – \text{rank}(T) = \text{nullity}(T)[/latex], vale per le mappe lineari tra spazi vettoriali di dimensione finita. In questo contesto, [latex]\dim(V) – \text{rango}(T)[/latex] è la dimensione del cokernel, [latex]\text{coker}(T) = W/\text{im}(T)[/latex]. Pertanto, il teorema può essere scritto come [latex]\dim(\ker(T)) – \dim(\text{coker}(T)) = 0[/latex]. L'indice di Fredholm estende questa idea agli operatori di Fredholm, che sono operatori lineari limitati tra spazi di Banach il cui kernel e il cui cokernel sono entrambi di dimensione finita.

Per un operatore [latex]T: X \to Y[/latex], l'indice di Fredholm è [latex]\text{ind}(T) = \dim(\ker(T)) – \dim(\text{coker}(T))[/latex]. A differenza del caso finito, dove questa differenza è sempre zero, per gli spazi infiniti l'indice può essere qualsiasi numero intero. Una proprietà fondamentale dell'indice è la sua stabilità: non cambia in presenza di perturbazioni compatte dell'operatore. Ciò significa che se [latex]K[/latex] è un operatore compatto, allora [latex]\text{ind}(T+K) = \text{ind}(T)[/latex].

Il concetto di cokernel è fondamentale per questa generalizzazione. Per una mappa [latex]T: X \to Y[/latex], l'immagine [latex]\text{im}(T)[/latex] è un sottospazio del codominio [latex]Y[/latex]. Il cokernel, [latex]\text{coker}(T)[/latex], è lo spazio quoziente [latex]Y / \text{im}(T)[/latex]. La sua dimensione misura il ‘numero di direzioni indipendenti’ in [latex]Y[/latex] che non sono raggiunte da [latex]T[/latex]. In dimensioni finite, il teorema di rango-nullità implica [latex]\dim(\ker(T)) = \dim(\text{coker}(T))[/latex]. In dimensioni infinite, questa uguaglianza viene meno, ma la differenza tra queste due dimensioni finite rimane un numero intero stabile, l'indice di Fredholm.

Questa stabilità rende l'indice un potente invariante topologico. Svolge un ruolo centrale nel teorema dell'indice di Atiyah-Singer, uno dei risultati più profondi della matematica del XX secolo, che collega l'indice analitico di un operatore differenziale su una varietà compatta agli invarianti topologici di quella varietà. Questo colma il divario tra analisi e topologia, con conseguenze di vasta portata in fisica teorica e geometria.

UNESCO Nomenclature: 1202
- Analisi

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Finanziario

Utilizzo

Nicchia/Specializzato

Precursori

  • teorema di rango-nullità per spazi di dimensione finita.
  • teoria delle equazioni integrali sviluppata da Vito Volterra e Erik Ivar Fredholm.
  • sviluppo dell'analisi funzionale e del concetto di spazi di Banach da parte di Stefan Banach.
  • teoria degli operatori compatti.
  • Il lavoro di Fritz Noether sulle equazioni integrali singolari, che ha introdotto il concetto di indice.

Applicazioni

  • teorema dell'indice di Atiyah-Singer in geometria differenziale e topologia.
  • teoria quantistica dei campi.
  • teoria spettrale degli operatori.
  • studiare la risolvibilità delle equazioni differenziali parziali.
  • k-teoria nella topologia algebrica.

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Contesto storico

Indice di Fredholm

1884
1896
1900
1903
1914
1924
1925
1854
1895
1899
1900
1911
1922
1925
1928

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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