O índice de Fredholm generaliza o teorema de posto-nulidade para espaços de dimensão infinita, como os espaços de Banach. Para um operador de Fredholm [latex]T: X to Y[/latex], seu índice é definido como [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex], onde a dimensão do cokernel mede o quão distante a imagem está de ser o espaço inteiro. Este índice é um valor inteiro estável sob pequenas perturbações do operador.
O teorema do posto-nulidade, [latex]dim(V) – text{posto}(T) = text{nulidade}(T)[/latex], é válido para aplicações lineares entre espaços vetoriais de dimensão finita. Nesse contexto, [latex]dim(V) – text{posto}(T)[/latex] é a dimensão do cokernel, [latex]text{coker}(T) = W/text{im}(T)[/latex]. Assim, o teorema pode ser escrito como [latex]dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T)) = 0[/latex]. O índice de Fredholm estende essa ideia para operadores de Fredholm, que são operadores lineares limitados entre espaços de Banach cujo núcleo e cokernel são ambos de dimensão finita.
Para um operador [latex]T: X to Y[/latex] desse tipo, o índice de Fredholm é [latex]text{ind}(T) = dim(ker(T)) – dim(text{coker}(T))[/latex]. Ao contrário do caso de dimensão finita, onde essa diferença é sempre zero, para espaços de dimensão infinita, o índice pode ser qualquer inteiro. Uma propriedade fundamental do índice é sua estabilidade: ele não se altera sob perturbações compactas do operador. Isso significa que, se [latex]K[/latex] é um operador compacto, então [latex]text{ind}(T+K) = text{ind}(T)[/latex].
O conceito de cokernel é crucial para esta generalização. Para uma aplicação [latex]T: X to Y[/latex], a imagem [latex]text{im}(T)[/latex] é um subespaço do contradomínio [latex]Y[/latex]. O cokernel, [latex]text{coker}(T)[/latex], é o espaço quociente [latex]Y / text{im}(T)[/latex]. Sua dimensão mede o número de direções independentes em [latex]Y[/latex] que não são alcançadas por [latex]T[/latex]. Em dimensões finitas, o teorema do posto-nulidade implica que dim(ker(T)) = dim(text{coker}(T))[/latex]. Em dimensões infinitas, essa igualdade deixa de existir, mas a diferença entre essas duas dimensões finitas permanece um inteiro estável, o índice de Fredholm.
Essa estabilidade faz do índice um poderoso invariante topológico. Ele desempenha um papel central no teorema do índice de Atiyah-Singer, um dos resultados mais profundos da matemática do século XX, que conecta o índice analítico de um operador diferencial em uma variedade compacta aos invariantes topológicos dessa variedade. Isso preenche a lacuna entre análise e topologia, com consequências de longo alcance na física teórica e na geometria.
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Relacionado a: índice de Fredholm, análise funcional, espaço de Banach, operador de Fredholm, núcleo, cokernel, teorema do índice de Atiyah-Singer, teoria dos operadores, invariante topológico, dimensão infinita.