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。

(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。
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フレドホルム指数
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