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フレドホルム指数

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

(画像はイメージです)

フレドホルム指数は、 ランク・ヌル性定理 バナッハ空間のような無限次元空間にまで適用できます。フレドホルム作用素 [latex]T: X to Y[/latex] の場合、そのインデックスは [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex] と定義されます。ここで、コカーネルの次元は、像が空間全体からどれだけ離れているかを示します。このインデックスは、作用素の小さな摂動に対して安定した整数値です。

ランク零性定理、[latex]dim(V) – text{rank}(T) = text{nullity}(T)[/latex] は、有限次元ベクトル空間間の線形写像に対して成り立ちます。この文脈では、[latex]dim(V) – text{rank}(T)[/latex] はコカーネルの次元、[latex]text{coker}(T) = W/text{im}(T)[/latex] です。したがって、この定理は [latex]dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T)) = 0[/latex] と書くことができます。フレドホルム指数はこの考え方をフレドホルム作用素に拡張したもので、フレドホルム作用素は、核とコカーネルの両方が有限次元であるバナッハ空間間の有界線形作用素です。

このような演算子 [latex]T: X to Y[/latex] に対して、フレドホルム指数は [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex] です。この差が常にゼロとなる有限次元の場合とは異なり、無限次元空間では、指数は任意の整数になります。この指数の重要な特性は安定性です。つまり、演算子のコンパクト摂動の下で変化しません。これは、[latex]K[/latex] がコンパクト演算子である場合、[latex]text{ind}(T+K) = text{ind}(T)[/latex] であることを意味します。

この一般化には、コカーネルの概念が不可欠です。写像 [latex]T: X to Y[/latex] に対して、像 [latex]text{im}(T)[/latex] は、終域 [latex]Y[/latex] の部分空間です。コカーネル [latex]text{coker}(T)[/latex] は、商空間 [latex]Y / text{im}(T)[/latex] です。その次元は、[latex]T[/latex] によって到達されない [latex]Y[/latex] 内の「独立方向の数」を測定します。有限次元では、ランク零性定理により [latex]dim(ker(T)) = dim(text{coker}(T))[/latex] が成り立ちます。無限次元ではこの等式は成り立たなくなるが、これら2つの有限次元の差は安定した整数値、すなわちフレドホルム指数として残る。

この安定性により、この指数は強力な位相不変量となる。これは、20世紀数学における最も重要な成果の一つであるアティヤ=シンガー指数定理において中心的な役割を果たしており、コンパクト多様体上の微分作用素の解析指数をその多様体の位相不変量と結びつけている。これにより、解析学と位相幾何学の間の隔たりが埋められ、理論物理学や幾何学において広範な影響を及ぼすことになる。

UNESCO Nomenclature: 1202
分析

タイプ

抽象システム

混乱

実質的な

使用法

ニッチ/専門分野

前駆物質

  • 有限次元空間におけるランク・ヌル性定理。
  • Vito Volterra と Erik Ivar Fredholm によって開発された積分方程式の理論。
  • シュテファン・バナッハによる関数解析の発展とバナッハ空間の概念。
  • コンパクト作用素の理論。
  • フリッツ・ネーターの特異積分方程式に関する研究は、指数の概念を導入した。

アプリケーション

  • 微分幾何学と位相幾何学におけるアティヤ・シンガー指数定理。
  • 量子場理論。
  • 作用素のスペクトル理論。
  • studying the solvability of partial differential equations.
  • 代数トポロジーにおけるk理論。

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連: フレドホルム指数、関数解析、バナッハ空間、フレドホルム作用素、核、コ核、アティヤ・シンガー指数定理、作用素論、位相不変量、無限次元。

歴史的背景

フレドホルム指数

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

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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