Alternativa de Fredholm

A alternativa de Fredholm, termo matemático decorrente de seu formulador Ivar Fredholm, é um dos teoremas de Fredholm e um resultado na teoria de Fredholm. A alternativa pode ser expressa de diversas formas: como um teorema da álgebra linear, um teorema das a equações integrais, ou ainda um teorema dos operadores de Fredholm. Uma parte dos resultados da alternativa estabelece que um número complexo não nulo no espectro de um operador compacto é um autovalor.

Álgebra Linear

Se V é um espaço vetorial n-dimensional e $T:V\to V$ é uma transformação linear, então exatamente uma das seguintes conclusões é satisfeita:

1. Para cada vetor v em V existe um vetor u em V tal que $T(u)=v$. Em outras palavras, T é uma transformação sobrejetiva.
2. $\dim (\ker (T))>0$.

Equações Integrais

Seja $K(x,y)$ um núcleo integral, e consideremos a equação homogênea, denominada equação integral de Fredholm,

$\lambda \varphi (x)-\underset{a}{\overset{b}{\int }}K(x,y)\varphi (y)dy=0$

e a equação não-homogênea

$\lambda \varphi (x)-\underset{a}{\overset{b}{\int }}K(x,y)\varphi (y)dy=f(x).$

A alternativa de Fredholm estabelece que, para qualquer número complexo fixo não negativo $\lambda \in ℂ$, ou a primeira equação tem uma solução não trivial, ou a segunda equação tem uma solução para todo $f(x)$.

Uma condição suficiente para a garantia deste teorema é que $K(x,y)$ seja quadraticamente integrável no retângulo $[a,b]\times [a,b]$ (onde a e/ou b podem ser menos ou mais infinito).

Análise Funcional

Resultados obtidos com o operador de Fredholm generalizam os resultados aqui obtidos para espaços vetoriais de dimensão infinita, os espaços de Banach.

Correspondência

Livremente falando, a correspondência entre as versões baseadas na álgebra linear e em equações integrais é estabelecida a seguir. Seja

$T=\lambda -K$

ou, em notação indicial,

$T(x,y)=\lambda \delta (x-y)-K(x,y)$

sendo $\delta (x-y)$ a função generalizada Delta de Dirac. T pode ser interpretado como um operador linear atuando sobre um espaço de Banach V de funções $\varphi (x)$, tal que

$T:V\to V$

é dado por

$\varphi \mapsto \psi$

com $\psi$ dado por

$\psi (x)=\underset{a}{\overset{b}{\int }}T(x,y)\varphi (y)dy$ .

Nesta forma de expressão, a alternativa baseada em equações integrais podem ser vistas como correspondência à alternativa da álgebra linear.

Alternativa

Em termos mais precisos, a alternativa de Fredholm é aplicável somente quando K é um operador compacto. Da teoria de Fredholm, núcleos integrais contínuos são operadores compactos. A alternativa de Fredholm pode ser reformulada da seguinte forma: um $\lambda$ não nulo é ou um autovalor de K, ou pertence ao domínio do resolvente

$R(\lambda ;K)=(K-\lambda \mathrm{Id}{)}^{-1}.$

Bibliografia

• E.I. Fredholm, "Sur une classe d'equations fonctionnelles", Acta Math. , 27 (1903) pp. 365–390.
• A. G. Ramm, "A Simple Proof of the Fredholm Alternative and a Characterization of the Fredholm Operators", American Mathematical Monthly, 108 (2001) p. 855.
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