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Máster y doctorado

Operadores de Fredholm y teoría K

Una ecuación lineal puede fallar porque varias entradas dan la misma salida o porque algunas salidas nunca se alcanzan. El núcleo y el conúcleo miden esos dos defectos. Cuando ambos son finitos y la imagen es cerrada, su diferencia tiene una estabilidad sorprendente; esa es la puerta de entrada a Fredholm y a los índices de familias.

1. Fredholm exige dos defectos finitos y una imagen cerrada

Para T: H₁→H₂ acotado, ker T son las entradas que van a cero. El conúcleo es H₂/ran T: identifica dos salidas si su diferencia se puede producir mediante T. Fredholm significa imagen cerrada y dimensiones finitas de núcleo y conúcleo.

El índice es dim ker T−dim coker T. En Hilbert, para imagen cerrada, el complemento ortogonal de ran T es ker T*, así que puede usarse dim ker T−dim ker T*. En el complemento del núcleo, T es un isomorfismo acotado hacia su imagen, con inversa acotada; ahí se puede resolver de forma estable.

Dos defectos concretos

T: R³→R², T(x, y, z)=(x,0).

  1. Núcleo

    Exige x=0 y deja y, z libres: dimensión dos.
  2. Imagen

    Es el eje horizontal, cerrado; falta la dirección vertical del destino.

  3. Índice

    El conúcleo tiene dimensión uno: ind T=2−1=1.
Resultado

El índice compara los dos defectos, no solo uno.

Lo comprobamos

El rango uno es otro dato diferente del índice uno; aquí coinciden por casualidad.

Índice cero sin inversa

P: ℓ²→ℓ² borra la primera coordenada.

  1. Núcleo

    Es span(e₁), de dimensión uno.

  2. Imagen

    Es el hiperplano cerrado de primera coordenada cero; conúcleo de dimensión uno.

  3. Restar

    Ind P=1−1=0, pero P no es inyectivo ni sobreyectivo.
Resultado

Índice cero no equivale a invertibilidad.

Lo comprobamos

Sí es Fredholm: se han comprobado las tres condiciones.

2. En dimensión finita el rango se cancela; en infinita hay que comprobar la imagen

Si T: V→W tiene rango r, entonces dim ker T=dim V−r y dim coker T=dim W−r. Al restar, ind T=dim V−dim W, independientemente del rango. Todos estos operadores finitos son Fredholm porque sus imágenes son cerradas.

El desplazamiento tiene una coordenada de salida que nunca puede producir
S(x₁,x₂,…)=(0,x₁,x₂,…)Dominio: ningún vector se pierde.e₁e₂e₃e₁e₂e₃e₄La imagen no alcanza e₁.dim ker S=0dim coker S=1índice=0−1=−1
El diagrama envía los tres primeros vectores básicos e uno, e dos y e tres a e dos, e tres y e cuatro; el patrón continúa indefinidamente. La coordenada e uno del destino queda sin preimagen y la imagen es el hiperplano cerrado de sucesiones con primera coordenada cero. Ninguna entrada no nula va a cero, por lo que el núcleo es cero. El conúcleo tiene dimensión uno y el índice, definido como núcleo menos conúcleo, vale menos uno.

En ℓ², el desplazamiento S(x₁, x₂,…)=(0, x₁, x₂,…) tiene núcleo cero e imagen un hiperplano cerrado: índice −1.

En cambio D(x)_n=x_{n}/n tiene imagen densa no cerrada.

No podemos calcularle un índice Fredholm borrando la condición de imagen cerrada.

Cambiar el rango sin cambiar el índice finito

Comparar dos mapas R³→R² de rangos uno y dos.

  1. Rango uno

    Núcleo dos y conúcleo uno: diferencia uno.

  2. Rango dos

    Núcleo uno y conúcleo cero: diferencia uno.

  3. Razón

    En ambos casos dim dominio−dim destino=3−2=1.

Resultado

El índice finito no distingue estos dos rangos.

Lo comprobamos

La invertibilidad ya es imposible por dimensiones distintas.

Una imagen densa puede no contener su propio límite

D(x)_n=x_{n}/n y y_{n}=1/n.

  1. Aproximar

    La truncación de y hasta N es D aplicado al vector de N unos y luego ceros.

  2. Límite

    Las truncaciones convergen a y en ℓ².

  3. No alcanzar

    Resolver Dx=y exigiría x_{n}=1 para todos n, que no está en ℓ².

Resultado

La imagen no es cerrada y D no es Fredholm.

Lo comprobamos

Aunque D y D* tengan núcleo cero, no se permite concluir índice cero con la fórmula reservada a Fredholm.

3. Una parametrix invierte salvo errores compactos

Un compacto envía conjuntos acotados a conjuntos de cierre compacto. Los compactos forman un ideal: componerlos con acotados sigue dando compactos. Para un Fredholm, invertimos sobre el complemento del núcleo y ponemos cero en el complemento de la imagen.

El operador R así construido satisface RT=I−P y TR=I−Q, con P, Q proyecciones de rango finito. Más generalmente una parametrix módulo compactos permite errores compactos. Atkinson dice que su existencia caracteriza Fredholm. En H→H equivale a que la clase de T sea invertible en el álgebra de Calkin B(H)/K(H).

Una parametrix del desplazamiento

Tomar R=S*, el desplazamiento hacia la izquierda.

  1. Primer orden

    S*S=I: se recuperan todas las coordenadas de entrada.
  2. Segundo orden

    SS*=I−P₁: falta la primera coordenada.
  3. Errores

    Cero y P₁ son compactos, pues P₁ tiene rango uno.

Resultado

S es invertible módulo compactos, aunque no tenga inversa exacta.

Lo comprobamos

Atkinson identifica este defecto finito como compatible con Fredholm.

Una parametrix con los dos errores iguales

P=I−P₁ y elegir R=P.

  1. Producto

    P²=P.
  2. Errores

    I−RP=I−PR=P₁.
  3. Interpretar

    La misma proyección finita registra aquí núcleo y conúcleo.

Resultado

El índice es cero, pero la parametrix todavía no es inversa exacta.

Lo comprobamos

Sumar P₁ al operador P sí da I, una corrección de rango finito que lo hace invertible.

4. La estabilidad usa continuidad en norma y perturbaciones compactas

Los invertibles de una álgebra de Banach forman un abierto: una perturbación E suficientemente pequeña se invierte mediante una serie geométrica. Atkinson lleva esa apertura a los operadores Fredholm. Además el índice es localmente constante: al separar núcleo e imagen queda un bloque invertible y un problema entre dos espacios finitos cuya diferencia de dimensiones no cambia.

Una trayectoria continua en norma de Fredholm tiene índice constante. Para K compacto, T+tK tiene la misma clase de Calkin que T para todo t entre cero y uno, así que ind(T+K)=ind T. La convergencia fuerte sola no conserva estas conclusiones.

Una dimensión de núcleo puede saltar sin cambiar índice

T_{t}=diag(t,1,1,…).

  1. t distinto de cero

    Es invertible: núcleo y conúcleo cero.

  2. t igual a cero

    Ambos defectos tienen dimensión uno.

  3. Índice

    En todos los casos la diferencia es cero; la familia es continua en norma.

Resultado

El índice permanece aunque los dos defectos varíen.

Lo comprobamos

Esos núcleos de dimensiones distintas no forman automáticamente un fibrado vectorial.

Un límite fuerte puede dejar de ser Fredholm

R_{N}=I−P_{N} en ℓ².

  1. Cada N

    Su núcleo y conúcleo tienen dimensión N y su imagen es cerrada: índice cero.

  2. Límite fuerte

    Para cada x, su cola R_{Nx} tiende a cero.

  3. Límite operador

    El operador cero en H infinito tiene núcleo y conúcleo infinitos, así que no es Fredholm.

Resultado

La propiedad falla en este límite fuerte.

Lo comprobamos

No hay convergencia en norma: ‖R_{N}‖=1 para todos N.

5. Componer suma índices; tomar adjunto cambia el signo

Si S y T son Fredholm y sus espacios permiten componer, ST es Fredholm y su índice es ind S+ind T. Una sucesión exacta finita entre núcleos y conúcleos explica esa suma mediante dimensiones alternadas.

En Hilbert, el adjunto intercambia los defectos: ind T*=−ind T. Por eso un índice distinto de cero obstruye que una perturbación compacta haga invertible el operador. Todo invertible tiene índice cero y los compactos no cambian el índice.

Desplazar tres coordenadas

S³ en ℓ².

  1. Núcleo

    Sigue siendo cero.

  2. Imagen

    Las primeras tres coordenadas de salida son cero; el conúcleo tiene dimensión tres.

  3. Índice

    Ind S³=−3, también suma de tres índices −1.
Resultado

El número de coordenadas que faltan coincide con el defecto de sobreyectividad.

Lo comprobamos

S*³ tiene índice +3 y el producto S*³S³ es I, de índice cero.

Una obstrucción a arreglar por compactos

Querer que S+K sea invertible con K compacto.

  1. Estabilidad

    Ind(S+K)=ind S=−1.
  2. Necesidad

    Un invertible tendría núcleo y conúcleo cero, índice cero.

  3. Contradicción

    −1 no es cero: no existe esa corrección compacta.

Resultado

El índice impide la reparación buscada.

Lo comprobamos

La proyección P de índice cero sí admitía una corrección finita; no todas las faltas de inversa tienen la misma obstrucción.

6. K cero permite restar fibrados sin inventar fibras de dimensión negativa

Un fibrado complejo E→X es una familia localmente producto U×Cʳ, con cambios lineales continuos en las fibras. La suma directa suma rangos. Las clases de fibrados forman un monoide: sumamos, pero en general no hay una operación inversa dentro de los propios fibrados.

El grupo de Grothendieck añade diferencias [E]−[F]. Dos diferencias coinciden si, tras sumar un mismo fibrado auxiliar G, E⊕F′⊕G es isomorfo a E′⊕F⊕G. Esa estabilización define K⁰(X); el producto tensorial da un anillo. Una diferencia virtual no es un fibrado con fibras negativas.

K de un punto

E=C³ y F=C⁵ sobre un único punto.

  1. Clases

    Un fibrado sobre un punto solo tiene como dato el rango.

  2. Diferencia

    [E]−[F] representa 3−5=−2 en Z.
  3. Interpretar

    No se necesita un espacio vectorial de dimensión −2: es una resta formal de clases.

Resultado

K⁰(punto)=Z.

Lo comprobamos

Los números negativos aparecen al completar el monoide de rangos.

Una estabilización visible

Comparar [C³]−[C] y [C⁴]−[C²] sobre un punto.

  1. Primera diferencia

    3−1=2.
  2. Segunda

    4−2=2.
  3. Criterio

    C³⊕C² y C⁴⊕C tienen ambas dimensión cinco y son isomorfos.

Resultado

Las dos diferencias representan la misma clase.

Lo comprobamos

Sobre espacios generales no basta comparar rangos; importa cómo se pegan las fibras.

7. El índice de familia evita tratar núcleos variables como un fibrado

Sea X compacto y T_{x} una familia continua en norma de Fredholm sobre H. Los núcleos pueden saltar. Elegimos un subespacio finito V del destino con ran T_{x}+V=H para todo x; la compacidad permite usar una elección común.

El núcleo y el conúcleo pueden saltar juntos sin cambiar el índice de una familia
Tₜ=diag(t,1,1,…) t≠0ker: 0; coker: 0índice: 0t=0ker: 1; coker: 1índice: 1−1=0Con V=span(e₁): Eₜ=span(e₁).La diferencia estable sí se conserva.
La familia T sub t es diagonal t uno uno y sucesivamente, actuando en un Hilbert de sucesiones. Para t distinto de cero es invertible, con núcleo y conúcleo cero. En t cero ambos tienen dimensión uno. El índice es cero en todos los parámetros. Al elegir V como la primera coordenada del destino, T sub t inversa de V es la primera coordenada del dominio para todo t; esa familia sí es un fibrado de rango uno y su diferencia con V da rango virtual cero. No se anuncian los núcleos variables como un fibrado.

Entonces E_{x}=T_{x}⁻¹(V) forma un fibrado E de rango localmente constante y definimos \operatorname{Ind}(T)=[E]-[X\times V]. La sucesión exacta entre ker T_{x}, E_{x}, V y coker T_{x} muestra que su rango virtual es el índice en cada punto. La clase no depende de V y es invariante por homotopía.

Una familia con salto se vuelve un fibrado estable sencillo

T_{t}=diag(t,1,1,…), t∈[−1,1], elegir V=span(e₁).

  1. Preimagen

    T_{tx}∈V exige que todas las coordenadas desde la segunda sean cero, para cualquier t.

  2. Fibrado

    E_{t}=span(e₁) siempre: es una línea trivial incluso en t=0.

  3. Diferencia

    La clase de E menos la de la línea trivial del destino es cero, de acuerdo con el índice puntual cero.

Resultado

Se ha obtenido rango constante sin declarar que ker T_{t} lo tenga.

Lo comprobamos

En t=0 el mapa E_{t}→V es cero; para t≠0 es un isomorfismo, y la sucesión exacta sigue controlando ambos casos.

Comprobar la resta mediante la sucesión exacta

En un punto, dim ker T=2, dim coker T=1 y dim V=3.

  1. Dimensiones alternadas

    2−dim E+3−1=0.
  2. Despejar

    Dim E=4.
  3. Rango virtual

    4−3=1, igual a 2−1.
Resultado

La clase estable recupera el índice entero al mirar un punto.

Lo comprobamos

V no es el conúcleo: es un subespacio elegido que complementa la imagen, posiblemente con redundancia.

8. Una clase K puede contener información que el rango entero no ve

Para un Hilbert complejo separable infinito-dimensional, Atiyah–Jänich identifica [X, Fred(H)] con K⁰(X) mediante el índice de familias, por ejemplo para X un complejo celular finito. Se usa topología de norma en Fred(H). Para un punto se recuperan las componentes clasificadas por el índice entero.

En CP¹, el fibrado tautológico de líneas L tiene rango uno, igual que la línea trivial, pero c₁(L) es el generador negativo, no cero. La diferencia [L]−[1] tiene rango virtual cero y no es clase cero: su Chern no desaparece al estabilizar. La teoría K distingue el pegado que el rango había olvidado.

Una diferencia de rango cero no necesariamente nula

[L]−[1] sobre CP¹.

  1. Rango

    1−1=0.
  2. Suponer cero

    Habría un G con L⊕G≅1⊕G.

  3. Chern

    La aditividad de c₁ daría c₁(L)+c₁(G)=c₁(G), imposible porque c₁(L)≠0.
Resultado

La clase es no nula aunque su rango sea cero.

Lo comprobamos

El cálculo usa una obstrucción estable; no solo que L y 1 sean distintos como fibrados sin estabilizar.

El índice de una familia constante

T_{x}=S para todo x de un X compacto.

  1. Elegir V

    Tomar V=span(e₁), que completa ran S.
  2. Preimagen

    Sx∈V solo si x=0, así que E es el fibrado cero.
  3. Clase

    Ind(T)=−[X×C], de rango virtual −1 en cada punto.
Resultado

La familia constante registra el mismo defecto en toda la base.

Lo comprobamos

Una familia no constante puede llevar además información de pegado, aunque tenga ese mismo rango virtual.

9. En C estrella, proyecciones matriciales sustituyen a fibrados

Para una C estrella unital A, se consideran proyecciones en matrices M_{n}(A), permitiendo añadir bloques cero y comparar por la equivalencia correspondiente. La suma en bloques forma un monoide y su grupo de Grothendieck es K₀(A). Para A=C(X), una proyección continua p(x) define el fibrado de sus imágenes y K₀(C(X))≅K⁰(X).

K₁(A) usa clases de homotopía de unitarios matriciales, permitiendo añadir bloques identidad. La periodicidad de Bott repite cada dos grados en la teoría compleja.

Para compactos, K₀(K(H))=Z por rango de proyecciones.

La extensión de Calkin conecta una inversa módulo compactos con su clase de índice, con signo núcleo menos conúcleo.

Una proyección constante produce un fibrado trivial

p(x)=diag(1,1,0) en M₃(C(X)).

  1. Imagen

    En cada x conserva las primeras dos coordenadas.

  2. Continuidad

    La familia es constante, por tanto continua.

  3. Fibrado

    Sus imágenes forman X×C² y su clase tiene rango dos.

Resultado

El bloque cero no añade fibras a la imagen.

Lo comprobamos

Permitir añadir ceros estabiliza el tamaño de la matriz sin cambiar ese fibrado.

Un unitario con vueltas

u(z)=z en C(S¹).

  1. Valores

    |z|=1, así que u* u=1 punto por punto.
  2. Recorrido

    El mapa recorre una vuelta positiva y tiene número de vueltas uno.

  3. Clase

    Representa el generador habitual de K₁(C(S¹))≅Z; la constante uno tiene vueltas cero.

Resultado

El tamaño matricial uno ya muestra una clase K uno no trivial.

Lo comprobamos

La identificación con Z es un resultado de teoría K; el cálculo de vueltas explica el representante elegido.

10. El índice de una ecuación diferencial necesita espacios y condiciones adecuados

Un operador diferencial elíptico en una variedad compacta sin borde, entre espacios de Sobolev apropiados, es Fredholm. Atiyah–Singer calcula su índice a partir del símbolo y datos topológicos. No afirma que cualquier expresión diferencial sea Fredholm sin elegir dominio y destino.

En variedades no compactas pueden fallar imagen cerrada o defectos finitos. Con borde hay que imponer condiciones adecuadas. La estabilidad, la periodicidad y la fórmula topológica son teoremas con alcances distintos: no se obtienen restando informalmente dos dimensiones infinitas.

La derivada periódica tiene dos defectos iguales

D: H¹(S¹)→L²(S¹), Df=f′.

  1. Núcleo

    Las constantes, dimensión uno.

  2. Imagen

    Son las funciones de media cero: integrar una derivada periódica da cero, y una función de media cero admite primitiva periódica en H¹.

  3. Índice

    La imagen es un hiperplano cerrado: 1−1=0.
Resultado

La elección de espacios y la periodicidad permiten una cuenta Fredholm precisa.

Lo comprobamos

No se deduce la misma cuenta si se cambian dominio o condiciones de borde.

No convertir infinito menos infinito en un índice

Operador cero en un Hilbert infinito-dimensional.

  1. Núcleo

    Todo H, dimensión infinita.

  2. Conúcleo

    H dividido por la imagen cero, también infinito.

  3. Condiciones

    Falla la finitud de ambos defectos y no es Fredholm.

Resultado

La expresión infinito menos infinito no define un índice entero.

Lo comprobamos

La imagen cero sí es cerrada; las otras dos condiciones siguen siendo imprescindibles.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Desplazamiento unilateral

Calcula ind S en ℓ².

  1. Operador

    S(x₁, x₂,…)=(0, x₁, x₂,…).
  2. Núcleo

    Una salida cero obliga a todas las entradas cero: dimensión cero.

  3. Imagen

    Son las sucesiones con primera coordenada cero.

  4. Cerradura

    Ese hiperplano es núcleo de la evaluación continua de la primera coordenada, por tanto cerrado.

  5. Conúcleo

    Solo falta la dirección e₁, de dimensión uno.

  6. Índice

    Ind S=0−1=−1.
Resultado

ind S=−1.

Lo comprobamos

La imagen es un hiperplano cerrado.

EJEMPLO RESUELTO 2

Matriz rectangular

Un mapa R³→R² tiene rango 1. Calcula su índice.

  1. Datos

    Un mapa R³→R² tiene rango uno.
  2. Rango–nulidad

    Dim ker T=3−1=2.
  3. Conúcleo

    Dim coker T=2−1=1.
  4. Cerradura

    La imagen es finito-dimensional y cerrada: T es Fredholm.

  5. Restar

    Ind T=2−1=1.
  6. Comprobar

    Coincide con 3−2=1; en dimensión finita el rango se cancela.

Resultado

El índice es 1.

Lo comprobamos

Coincide con dim dominio−dim codominio.

Los símbolos que hemos usado

T:H₁→H₂
Operador acotado entre espacios de Hilbert; complejos salvo que un ejemplo indique R.
coker T
Cociente H₂/ran T; si la imagen es cerrada se identifica con (ran T)⊥=ker T*.
ind T
Índice dim ker T−dim coker T de un operador Fredholm.
K(H), Q(H)
Ideal de operadores compactos y álgebra de Calkin B(H)/K(H).
K⁰(X)
Grupo de Grothendieck de los fibrados vectoriales complejos sobre un compacto Hausdorff X.
[E]−[F]
Clase virtual: diferencia formal de dos fibrados, identificada mediante estabilización.
Fred(H)
Espacio de operadores Fredholm de H en sí mismo, con topología de norma.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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