Atiyah-Singer-Indexsatz

DerAtiyah-Singer-Indexsatzist eine zentrale Aussage aus derglobalen Analysis,einem mathematischen Teilgebiet derDifferentialgeometrie.Er besagt, dass für einenelliptischen Differentialoperatorauf einerkompaktenMannigfaltigkeitderanalytische Index(Fredholm-Index,eng verbunden mit derDimensiondesLösungsraums) gleich dem scheinbar allgemeineren, aber einfacher zu berechnendentopologischen Indexist. (Dieser wird übertopologische Invariantendefiniert.)

Man kann also darauf verzichten, den kompliziert zu ermittelnden analytischen Index auszurechnen. Der Satz ist daher gerade für die Anwendungen wichtig, obwohl er eher das Abstrakte betont.

Viele andere wichtige Sätze wie derSatz von Riemann-Rochoder derSatz von Gauß-Bonnetsind Spezialfälle. Der Satz wurde 1963 vonMichael AtiyahundIsadore M. Singerbewiesen: Sie erhielten dafür denAbelpreis2004. Der Satz hat auch Anwendungen in dertheoretischen Physik.

Ein Zitat

Vorweg ein Zitat aus der offiziellen Würdigung für Atiyah und Singer zumAbelpreis2004: „Wissenschaftler beschreiben die Welt durch Größen und Kräfte, die in Raum und Zeit veränderlich sind. Die Naturgesetze werden oft durch Formeln für deren Veränderungsrate ausgedrückt, Differentialgleichungen genannt. Solche Formeln können einen ‚Index‘ haben, die Zahl derLösungender Formeln minus der Zahl derBeschränkungen,die diese den zu berechnenden Größen auferlegen. Der Atiyah-Singer-Indexsatz berechnet diesen Index aus der Geometrie des zugrundeliegenden Raumes. Ein einfaches Beispiel liefertM. C. Eschersberühmtes paradoxes Bild ‚Aufsteigen und Absteigen‘, in dem die Leute zwar die ganze Zeit aufsteigen, sich aber dennoch im Kreis um den Schlosshof bewegen. Der Indexsatz hätte ihnen gesagt, dass das unmöglich ist. “

Mathematische Präliminarien

• $X$ist eine glattekompakte Mannigfaltigkeit (ohne Rand).
• $E$und$F$sind glatteVektorbündelüber$X$.
• $D$ist ein elliptischerDifferentialoperatorvon$E$auf$F$.Das heißt, in lokalen Koordinaten wirkt er als Differentialoperator, der glatteSchnittedes Vektorbündels$E$auf solche von$F$abbildet.

Symboleines Differentialoperators

→Hauptartikel:Hauptsymbol

Falls$D$ein Differentialoperator der Ordnung$n$in$k$Variablen

$x_{1},\dotsc,x_{k}$

ist, ist seinSymboleine Funktion der$2k$Variablen

$x_{1},\dotsc,x_{k},y_{1},\dotsc,y_{k}$,

die dadurch gegeben ist, dass man alle Terme von kleinerer Ordnung als$n$weglässt und${\tfrac {\partial }{\partial x_{i}}}$durch$y_{i}$ersetzt. Das Symbol ist also homogen in den Variablen$y$vom Grad$n$.Es ist wohldefiniert (obwohl${\tfrac {\partial }{\partial x_{i}}}$nicht mit$x_{i}$kommutiert), da nur der höchste Term behalten wurde und Differentialoperatoren bis aufniedrigere Termekommutieren. Der Operator wirdelliptischgenannt, falls das Symbol ungleich 0 ist, wenn mindestens ein$y$ungleich 0 ist.

Beispiel für$n=2$:Der Laplaceoperator in$k$Variablen hat das Symbol$y_{1}^{2}+\dotsb +y_{k}^{2}$und ist somit elliptisch, da es ungleich 0 ist, wenn einer der$y$ungleich 0 ist. Die Wellengleichung hat dagegen das Symbol$-y_{1}^{2}+\ldots +y_{k}^{2}$,das für$k\geq 2$nicht elliptisch ist. Das Symbol verschwindet hier für einige$y$ungleich 0.

Das Symbol eines Differentialoperators der Ordnung$n$auf einer glatten Mannigfaltigkeit$X$ist ganz ähnlich definiert unter Benutzung lokaler Koordinatenkarten. Es ist eine Funktion desKotangentialbündelsvon$X$und ist homogen vom Grad$n$auf jedemKotangentialraum.Allgemeiner ist das Symbol eines Differentialoperators zwischen zwei Vektorbündeln$E$und$F$ein Schnitt deszurückgezogenen Bündels

$\operatorname {Hom} (E,F)$

zum Kotangentialraum von$X$.Der Differentialoperator heißtelliptisch,wenn das Element von$\operatorname {Hom} (E_{x},F_{x})$für alle Kotangential-Vektoren ungleich 0 bei jedem Punkt$x$von$X$invertierbar ist.

Eine wichtige Eigenschaft elliptischer Operatoren ist, dass siefastinvertierbar sind, was eng damit verbunden ist, dass ihre Symbolefastinvertierbar sind. Präziser bedeutet dies, dass ein elliptischer Operator$D$auf einer kompakten Mannigfaltigkeit eine (nicht eindeutige)Parametrix$D^{\prime }$hat, sodass sowohl$DD'-1$als auch dessen Adjungiertes,$D'D-1,$kompakte Operatorensind. Die Parametrix eines elliptischen Differentialoperators ist meistens kein Differential-, sondern ein Integraloperator (allgemeiner: ein elliptischer sog.Pseudodifferentialoperator). Eine wichtige Folge ist, dass der Kern von$D$endlichdimensional ist, da alle Eigenräume kompakter Operatoren endlichdimensional sind.

Die beiden Indizes

Analytischer Index

→Hauptartikel:Fredholm-Index

Da der elliptische Differentialoperator$D$einePseudoinversehat, ist er einFredholm-Operator.Jeder Fredholm-Operator hat einenIndex,definiert als Differenz der (endlichen) Dimensionen desKernsvon$D$(also der Lösungen derhomogenen Gleichung$Df=0$) und desKokernsvon$D$(dereinschränkenden Bedingungenan die rechte Seite (inhomogene Gleichungenwie$Df=g$), oder äquivalent:der Kern desadjungierten Operators$D^{*}$), also

$\operatorname {index} _{\,analytisch}\,(D)=\dim \operatorname {Kern} (D)-\dim \operatorname {Cokern} (D)=\dim \operatorname {Kern} (D)-\dim \operatorname {Kern} (D^{*}).$

Beispiel für$n=1$:Angenommen, die Mannigfaltigkeit sei ein Kreis (als$\mathbb {R} /\mathbb {Z}$gedacht), und$D$der Operator$\textstyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}-2\pi i\lambda$für eine komplexe Konstante$\lambda$.(Das ist das einfachste Beispiel eines elliptischen Operators). Dann ist der Kern von$D$,also der auf null abgebildete Teil, gleich dem von allen Termen der Form$\exp(i2\pi \,\lambda \,x)$aufgespannte Raum, falls$\lambda \in \mathbb {Z}$,und gleich 0 in den anderen Fällen. Beim Kern des adjungierten Operators wird$\lambda$einfach durch sein Komplex-konjugiertes ersetzt.

Bei diesem Beispiel hat$D$also den Index 0, wie beiselbstadjungierten Operatoren,obwohl der Operator nicht selbstadjungiert ist. Das Beispiel zeigt aber zugleich, dass Kern und Kokern eines elliptischen Operatorsunstetigspringen können, falls man den elliptischen Operator so variiert, dass die oben erwähnten „anderen Fälle “erfasst werden. Es gibt also selbst bei diesem einfachen Beispiel keine durch topologische Größen ausgedrückteschöneFormel für den Index. Da die Sprünge in den Dimensionen von Kern und Kokern aber gleich sind, ist ihre Differenz, der Index, zwar nicht null, ändert sich aberstetigund kann durch topologische Größen ausgedrückt werden.

Topologischer Index

Im Folgenden sei die kompakte Mannigfaltigkeit$X$zusätzlich$n$-dimensional und orientierbar und$TX$bezeichne ihrTangentialbündel.Ferner seien$p_{1}\colon E\to X$und$p_{2}\colon F\to X$zwei hermitesche Vektorbündel.

Dertopologische Indexdes elliptischen Differentialoperators$D\colon \Gamma (X,E)\to \Gamma (X,F)$zwischen den Schnitten der glatten Vektorbündel$E$und$F$ist durch

$({\overline {\operatorname {ch} }}(D)\operatorname {Td} (X))[X]$

gegeben. Mit anderen Worten, es handelt sich um den Wert der höchstdimensionalen Komponente der gemischtenKohomologieklasse(mixed cohomology class)$\operatorname {ch} (D)\operatorname {Td} (X)$auf derfundamentalen Homologieklassevon$X.$Dabei ist:

• ${\operatorname {Td} (X):=\operatorname {Td} (TX\otimes \mathbb {C} ):=1+c_{1}(TX)\cdot {\tfrac {1}{2}}+(c_{1}^{2}+c_{2})(TX\otimes \mathbb {C} )\cdot {\tfrac {1}{12}}+(c_{1}c_{2})(TX\otimes \mathbb {C} )\cdot {\tfrac {1}{24}}+\ldots }$die sog.Todd-Klassevon$X$.Mit$c_{i}(TX\otimes \mathbb {C} )$wird die i-teChern-Klassedes Bündels$TX\otimes \mathbb {C}$bezeichnet. Ferner seien

• $[X]$dieFundamentalklassevon$X$und

• ${\overline {\operatorname {ch} }}(D):=\phi ^{-1}(\operatorname {ch} (d(p_{1}^{*}E,p_{2}^{*}F,\sigma (D))))$,

wobei$\phi \colon H^{k}(X,\mathbb {Q} )\to H^{n+k}(B(X)/S(X),\mathbb {Q} )$derThom-Isomorphismus,$B(X):=\{\xi \in T^{*}X|\|\xi \|\leq 1\}$das Einheitsball-Bündel desKotangentialbündels,$S(X)$dessen Rand,$\operatorname {ch}$derChern-Charaktervon dertopologischen K-Theorie$K(X)$auf dem rationalenKohomologiering$H(X,\mathbb {Q} )$,$d(p_{1}^{*}E,p_{2}^{*}F,\sigma (D))$das Differenz-Element („difference element “) von$K(B(X)/S(X))$zu den zwei Vektorbündeln$p^{*}E\to B(X)$und$p^{*}F\to B(X)$und dem Hauptsymbol$\sigma (D)$,das ein Isomorphismus auf dem Unterraum$S(X)$ist. Das Objekt${\overline {\operatorname {ch} }}(D)$kann äquivalent auch als der Chern-Charakter desIndexbündelsverstanden werden.

Eine andere Methode der Definition des topologischen Index nutzt systematisch die K-Theorie. Wenn$X$eine kompakte Untermannigfaltigkeit von$Y$ist, gibt es einepushforward-Operation von$K(TX)$nach$K(TY)$.Der topologische Index eines Elements von$K(TX)$ist als Bild dieser Operation definiert, wobei$Y$ein euklidischer Raum ist, für den$K(TY)$auf natürliche Weise mit den ganzen Zahlen$\mathbb {Z}$identifiziert werden kann. Der Index ist unabhängig von derEinbettungvon$X$in deneuklidischen Raum.

Der Atiyah-Singer-Indexsatz (Gleichheit der Indizes)

Dsei wieder ein elliptischer Differentialoperator zwischen zwei VektorbündelnEundFüber einer kompakten MannigfaltigkeitX.

DasIndex-Problembesteht in folgender Aufgabe: Zu berechnen ist der analytische Index vonD,einzig unter Benutzung der Symbole, sowie topologischer Invarianten der Mannigfaltigkeit und der Vektorbündel. Der Atiyah-Singer-Indexsatz löst dieses Problem und besagt kurz und bündig:

Der analytische Index vonDist gleich dem topologischen Index.

Der topologische Index kann im Allgemeinen gut berechnet werden, trotz seiner komplexen Formulierung, und im Gegensatz zum analytischen Index.Viele wichtige Invarianten der Mannigfaltigkeit (wie die Signatur) können als Index bestimmter Differentialoperatoren und damit durch topologische Größen ausgedrückt werden.

Obwohl der analytische Index schwer zu berechnen ist, ist er zumindest eine ganze Zahl, während der topologische Index nach Definition auch „rational “sein könnte und „Ganzheit “keineswegs offensichtlich ist. Der Indexsatz macht so auch für die Topologie tiefliegende Aussagen.

Der Index eines elliptischen Operators verschwindet offensichtlich, falls der Operatorselbstadjungiertist. Auch bei Mannigfaltigkeiten ungerader Dimension verschwindet der Index bei elliptischen Differentialoperatoren, es gibt aber elliptische Pseudodifferentialoperatoren, deren Index bei ungeraden Dimensionen nicht verschwindet.

Beispiele

Euler-Poincaré-Charakteristik

Die Mannigfaltigkeit$X$sei kompakt und orientierbar.$E$sei die Summe der geraden äußeren Produkte des Kotangentialbündels,$F$die Summe der ungeraden äußeren Produkte,$D$sei$d+d^{*}$,eine Abbildung von$E$nach$F$.Dann ist der topologische Index von$D$dieEuler-Poincaré-Charakteristikvon$X$und der analytische Index ergibt sich aus dem Indexsatz als alternierende Summe der Dimensionen derDe-Rham-Kohomologiegruppen.

Satz von Hirzebruch-Riemann-Roch

→Hauptartikel:Satz von Hirzebruch-Riemann-Roch

Sei$X$einekomplexe Mannigfaltigkeitmit einem komplexen Vektorbündel$V\to M$.Die Vektorbündel$E$und$F$sind die Summen der Bündel derDifferentialformen mit Koeffizienten in$V$vom Typ (0,i),wobei$i$gerade oder ungerade ist. Der Differentialoperator$D$sei die Summe

$D:={\overline {\partial }}+{\overline {\partial }}^{*}$

eingeschränkt auf$E$,wobei${\overline {\partial }}$derDolbeault-Operatorund${\overline {\partial }}^{*}$sein adjungierter Operator ist. Dann ist der analytische Index von$D$die holomorphe Euler-Poincaré-Charakteristik von$V$:

$\operatorname {index} _{a}(D)=\sum _{p}(-1)^{p}\dim(H^{p}(X,V))$

Der topologische Index von$D$ist durch

$\operatorname {index} _{t}(D)=\operatorname {ch} (V)\operatorname {Td} (X)[X]$

gegeben als Produkt desChern-Charaktersvon$V$und derTodd-Klassevon$X$,berechnet auf der Fundamentalklasse von$X.$

Gleichsetzen von topologischem und analytischem Index liefert den Satz vonHirzebruch-Riemann-Roch,der denSatz von Riemann-Rochverallgemeinert. Tatsächlich bewies Hirzebruch den Satz nur fürprojektivekomplexe Mannigfaltigkeiten$X,$in obiger Form gilt er allgemein für komplexe Mannigfaltigkeiten.

Diese Ableitung des Satzes von Hirzebruch-Riemann-Roch kann auch „natürlicher “unter Verwendung des Indexsatzes fürelliptische Komplexestatt für elliptische Operatoren abgeleitet werden. DerKomplexsei durch

$0\to V\to V\otimes \Lambda ^{0,1}T^{*}(X)\to V\otimes \Lambda ^{0,2}T^{*}(X)\ldots$

mit dem Differential${\overline {\partial }}$gegeben. Dann ist die$i$-te Kohomologiegruppe gerade die kohärente Kohomologiegruppe$H^{i}(X,V)$,sodass der analytische Index dieses Komplexes die holomorphe Euler-Charakteristik$\textstyle \sum _{i}(-1)^{i}\dim(H^{i}(X,V)$ist. Wie zuvor ist der topologische Index$\operatorname {ch} (W)\operatorname {Td} (X)[X]$.

Signatursatz von Hirzebruch

→Hauptartikel:Signatursatz von Hirzebruch

Sei$X$eine orientierte kompakte glatte Mannigfaltigkeit der Dimension$n:=4k$.Der Signatur-Satz von Hirzebruch besagt, dass dieSignatur$\sigma (X)$der Mannigfaltigkeit$X$durch dasL-Geschlecht$L(X)$von$X$gegeben ist. Das folgt aus dem Atiyah-Singer-Indexsatz angewandt auf denSignatur-Operator.Der Atiyah-Singer-Indexsatz besagt also in diesem Spezialfall

$\sigma (M)=(\pi i)^{-{\frac {n}{2}}}\int _{M}L(M).$

Diese Aussage wurde 1953 vonFriedrich HirzebruchmittelsKobordismustheoriebewiesen.

Â-Geschlecht und der Satz von Rochlin

DasÂ-Geschlechtist eine rationale Zahl definiert für eine beliebige Mannigfaltigkeit, aber im Allgemeinen keine ganze Zahl.Armand BorelundFriedrich Hirzebruchzeigten, dass sie fürSpin-Mannigfaltigkeitenganz ist und gerade, falls zusätzlich die Dimension kongruent 4 modulo 8 ist. Das lässt sich aus dem Indexsatz folgern, der dem Â-Geschlecht für Spin-Mannigfaltigkeiten den Index einesDirac-Operatorszuweist. Der Extrafaktor 2 in den Dimensionen, die kongruent 4 modulo 8 sind, kommt von derquaternionischenStruktur von Kern und Ko-Kern des Diracoperators in diesen Fällen. Als komplexe Vektorräume haben sie somit gerade Dimension, also ist auch der Index gerade.

In der Dimension 4 folgt daraus der Satz vonRochlin,dass die Signatur einer 4-dimensionalen Spin-Mannigfaltigkeit durch 16 teilbar ist, da dort die Signatur gleich dem (−8)-Fachen des Â-Geschlechts ist.

Geschichte

Das Indexproblem für elliptische Differentialoperatoren wurde 1959 vonIsrael Gelfand(On Elliptic Equations,in denRussian Mathematical Surveys,1960) gestellt. Er bemerkte dieHomotopieinvarianzdes (analytischen) Index und fragte nach einer Formel für den Index, die nur topologische Invarianten enthält. Weitere Motivationen für den Indexsatz waren derSatz von Riemann-Rochund seine Verallgemeinerung, das Hirzebruch-Riemann-Roch-Theorem, sowie der Signatursatz von Hirzebruch. Hirzebruch und Borel hatten wie erwähnt die Ganzzahligkeit des Â-Geschlechts einer Spin-Mannigfaltigkeit bewiesen, und Atiyah schlug vor, dass dies erklärt werden könnte, falls es der Index des (vor allem in derPhysikbehandelten)Dirac-Operatorswäre. (In der Mathematik wurde dieser Operator 1961 von Atiyah und Singer „wiederentdeckt “.)

Die erste Ankündigung wurde 1963 publiziert, der dort skizzierte Beweis wurde aber nie publiziert (erschien aber in dem Sammelband von Palais). Der erste veröffentlichte Beweis benutzte statt Kobordismus-Theorie dieK-Theorie,die auch für die folgenden Beweise diverser Verallgemeinerungen benutzt wurde.

1973 gaben Atiyah,Raoul BottundPatodieinen neuen Beweis mit Hilfe der Wärmeleitungsgleichung (Diffusionsgleichung).

Im Jahr 1983 gabEzra Getzlermit HilfesupersymmetrischerMethoden, nach Ideen vonEdward WittenundLuis Alvarez-Gaumé,einen „kurzen “Beweis des lokalen Indexsatzes für Dirac-Operatoren (was die meisten Standardfälle umfasst).

Michael Francis Atiyah und Isadore Manual Singer wurden im Jahr 2004 für den Beweis des Indexsatzes mit demAbelpreisausgezeichnet.

Beweistechniken

Pseudodifferentialoperatoren

Während zum Beispiel Differentialoperatoren mit konstanten Koeffizienten im euklidischen RaumFouriertransformationender Multiplikationen mit Polynomen sind, sind die entsprechendenPseudodifferentialoperatorenFouriertransformationen der Multiplikation mit allgemeineren Funktionen. Viele Beweise des Indexsatzes benutzen solche Pseudodifferentialoperatoren, da es für viele Zwecke „nicht genug “Differentialoperatoren gibt. Beispielsweise ist die Pseudoinverse eines elliptischen Differentialoperators fast nie ein Differentialoperator, wohl aber ein Pseudodifferentialoperator. Für die meisten Versionen des Indexsatzes gibt es so eine Erweiterung auf Pseudodifferentialoperatoren. Die Beweise werden durch die Verwendung dieser verallgemeinerten Differentialoperatoren flexibler.

Kobordismus

Der ursprüngliche Beweis basierte wie der des Hirzebruch-Riemann-Roch-Theorems durch Hirzebruch 1954 auf der Verwendung der Kobordismentheorie und benutzte außerdem Pseudodifferentialoperatoren.

Die Idee des Beweises war grob wie folgt: Man betrachte den durch die Paare$(X,V)$erzeugten Ring, wo$V$ein glattes Vektorbündel auf einer glatten, kompakten, orientierbaren Mannigfaltigkeit$X$ist. Die Summe und das Produkt in diesem Ring sei durch die disjunkte Vereinigung und das Produkt von Mannigfaltigkeiten gegeben (mit entsprechenden Operationen auf den Vektorbündeln). Jede Mannigfaltigkeit, dieRandeiner Mannigfaltigkeit ist, verschwindet in diesem Kalkül. Das Vorgehen ist wie in der Kobordismentheorie, nur dass hier die Mannigfaltigkeiten auch Vektorbündel tragen. Analytischer und Topologischer Index werden als Funktionen auf diesem Ring mit Werten in den ganzen Zahlen interpretiert. Nachdem man überprüft hat, ob die so interpretierten Indices Ring-Homomorphismen sind, muss man ihre Gleichheit nur noch für die Generatoren des Rings beweisen. Diese ergeben sich ausRené ThomsKobordismentheorie, z. B. komplexe Vektorräume mit dem trivialen Bündel und bestimmte Bündel über Sphären gerader Dimension. Der Indexsatz muss damit nur noch auf relativ einfachen Mannigfaltigkeiten betrachtet werden.

K-Theorie

Der erste veröffentlichte Beweis von Atiyah und Singer nutzte K-Theorie statt Kobordismen. Sei$i$eine beliebige Inklusion kompakter Mannigfaltigkeiten von$X$nach$Y.$Dann kann man einepushforwardOperation$i_{!}$von elliptischen Operatoren auf$X$nach elliptischen Operatoren auf$Y$definieren, die den Index erhält. Nimmt man$Y$als in$X$eingebettete Sphäre reduziert sich der Indexsatz auf den Fall von Sphären. Falls$Y$eine Sphäre ist und$X$ein in$Y$eingebetteter Punkt, dann ist jeder elliptische Operator auf$Y$unter$i_{!}$das Bild eines elliptischen Operators auf dem Punkt. Das reduziert den Indexsatz auf den Fall eines Punktes, wo er trivial ist.

Wärmeleitungsgleichung

Atiyah,Raoul BottundVijay Kumar Patodigaben einen neuen Beweis des Indexsatzes unter Verwendung derWärmeleitungsgleichung.

Wenn$D$ein Differentialoperator mit adjungiertem Operator$D^{*}$ist, sind$D^{*}D$und$DD^{*}$selbstadjungierte Operatoren, deren nicht verschwindende Eigenwerte dieselbe Vielfachheit besitzen. Ihre Eigenräume zum Eigenwert null können aber verschiedene Vielfachheit besitzen, da diese die Dimensionen der Kerne von$D$und$D^{*}$sind. Der Index von$D$ist daher durch

$\operatorname {Index} (D)=\dim \operatorname {Ker} (D)-\dim \operatorname {Ker} (D^{*})=\operatorname {Tr} (e^{-t\,D^{*}D})-\operatorname {Tr} (e^{-t\,DD^{*}})$

gegeben, für beliebige positive$t$.Die rechte Seite der Gleichung ist durch die Spur der Differenz der Kerne von zwei Wärmeleitungsoperatoren gegeben. Ihre asymptotische Entwicklung für kleine positive$t$kann genutzt werden, um den Grenzwert$t$gegen 0 zu bestimmen und so einen Beweis des Atiyah-Singer-Indexsatzes zu liefern. Der Grenzwert kleiner$t$ist auf den ersten Blick ziemlich kompliziert, da sich aber viele der Terme aufheben, können die führenden Terme explizit angegeben werden. Ein tieferer Grund dafür, dass sich viele der Terme aufheben, wurde später durch Methoden der theoretischen Physik geliefert, und zwar durch die sog.Supersymmetrie.

Verallgemeinerungen

• Statt mit elliptischen Operatoren zwischen Vektorbündeln, ist es manchmal vorteilhafter mit einemelliptischen Komplexvon Vektorbündeln zu arbeiten:

$0\to E_{0}\to E_{1}\to E_{2}\to \ldots \to E_{m}\to 0.$

Der Unterschied liegt darin, dass dieSymbolenun eineexakte Sequenzbilden (außerhalb der Null-Sektion). Im Fall von genau zwei Bündeln (ungleich Null) im Komplex folgt daraus, dass das Symbol außerhalb des Null-Schnittes ein Isomorphismus ist, sodass ein elliptischer Komplex mit zwei Termen im Wesentlichen das gleiche wie ein elliptischer Operator zwischen zwei Vektorbündeln ist. Umgekehrt kann der Indexsatz eines elliptischen Komplexes leicht auf den Indexsatz eines elliptischen Operators reduziert werden. Die beiden Vektorbündel sind durch die Summe der geraden oder ungeraden Terme im Komplex gegeben, und der elliptische Operator ist die Summe der Operatoren des elliptischen Komplexes und seiner Adjungierten, eingeschränkt auf die Summe der geraden Bündel.

• Hat die Mannigfaltigkeit einen Rand, muss das Definitionsgebiet des elliptischen Operators eingeschränkt werden um einen endlichen Index sicherzustellen. Diese Zusatzbedingungen können lokal sein und das Verschwinden der Schnitte (der Vektorbündel) auf dem Rand fordern, oder komplexere globale Bedingungen, die z. B. das Erfüllen bestimmter Differentialgleichungen durch die Schnitte fordern. Atiyah und Bott untersuchten den lokalen Fall, zeigten aber auch, dass viele interessante Operatoren wie der Signaturoperator keine lokalen Randbedingungen erlauben. Atiyah, Patodi und Singer führten für diese Fälle globale Randbedingungen ein, die dem Anhängen eines Zylinders an den Rand der Mannigfaltigkeit entsprechen und den Definitionsbereich auf solche Schnitte einschränkten, die entlang des Zylinders quadratintegrabel sind. Die Sichtweise wurde von Melrose in seinem Beweis des Atiyah-Patodi-Singer-Indexsatzes verwendet.

• Statt eines elliptischen Operators kann man ganze Familien betrachten, parametrisiert durch einen Raum$Y.$In diesem Fall ist der Index ein Element der K-Theorie von$Y$statt einer ganzen Zahl und es gilt einFamilien-Indexsatz.Sind die Operatoren reell, ist der Index in der reellen K-Theorie von$Y,$was gegenüber der komplexen K-Theorie manchmal einige Zusatzinformationen über die Mannigfaltigkeit liefert.

• Gibt es eine auf der kompakten Mannigfaltigkeit$X$erklärte Wirkung einer Gruppe$G$,die mit dem elliptischen Operator kommutiert, wird die gewöhnliche K-Theorie durchÄquivariante K-Theorieersetzt (Atiyah, Bott). Man erhält hier Verallgemeinerungen desLefschetz-Fixpunktsatzes,wobei die Fixpunkte sich auf die unter$G$invarianten Untermannigfaltigkeiten beziehen.

• Atiyah zeigte auch, wie man den Indexsatz auf einige nicht-kompakte Mannigfaltigkeiten erweitern kann, falls auf ihnen diskrete Gruppen mit kompaktem Quotienten operieren. Der Kern des elliptischen Operators ist in diesem Fall meist unendlichdimensional, aber man kann einen endlichen Index unter Benutzung der Dimension eines Moduls über einerVon-Neumann-Algebraerhalten. Im Allgemeinen ist dieser Index reell statt ganzzahlig. DiesesL²-Indextheoremwurde von Atiyah undWilfried Schmiddazu benutzt, Sätze über diediskreten Serienin der Darstellungstheorie halbeinfacherLiegruppenneu abzuleiten (Astérisque Bd. 32, Nr. 3, 1976, S. 43–72).

Literatur

• Michael Francis Atiyah:Collected works.Band 3:Index theory. 1.Clarendon Press, Oxford 1988,ISBN 0-19-853277-6(Abdruck der unten zitierten Arbeiten).
• M. F. Atiyah, I. M. Singer:The index of elliptic operators on compact manifolds.In:Bulletin American Mathematical Society.Bd. 69, 1963,ISSN0273-0979,S. 322–433 (Ankündigung).
• M. F. Atiyah, R. Bott:A Lefschetz Fixed Point Formula for Elliptic Complexes. I.In:Annals of Mathematics.2. Series, Bd. 86, No. 2, Sept. 1967, S. 374–407.
• M. F. Atiyah, R. Bott:A Lefschetz Fixed Point Formula for Elliptic Complexes. II.In:Annals of Mathematics.2. Series, Bd. 88, No. 3, Nov. 1968, S. 451–491 (Beweise und Anwendungen).
• M. F. Atiyah, I. M. Singer:The index of elliptic operators I.In:Annals of Mathematics.Bd. 87, No. 3, May 1968,ISSN0003-486X,S. 484–530 (Beweis mit K-Theorie),online (PDF; 3,7 MB).
• M. F. Atiyah,G. B. Segal:The index of elliptic operators II.In:Annals of Mathematics.Bd. 87, No. 3, May 1968, S. 531–545 (mit equivarianter K-Theorie als eine Art Lefschetz Fixpunktsatz).
• M. F. Atiyah, I. M. Singer:The index of elliptic operators III.In:Annals of Mathematics.Bd. 87, No. 3, May 1968, S. 546–604 (Kohomologie statt K-Theorie).
• M. F. Atiyah, I. M. Singer:The index of elliptic operators IV.In:Annals of Mathematics.Bd. 93, No. 1, Jan. 1971, S. 119–138 (mit Familien von Operatoren).
• M. F. Atiyah, I. M. Singer:The index of elliptic operators V.In:Annals of Mathematics.Bd. 93, No. 1, Jan. 1971, S. 139–149 (reelle statt komplexe Operatoren).
• Bernhelm Booss:Topologie und Analysis. Einführung in die Atiyah-Singer-Indexformel.Springer, Berlin u. a. 1977,ISBN 3-540-08451-7.
• Israel Gelfand:On elliptic equations.In:Russian Mathematical Surveys.Bd. 15, No. 3, 1960, S. 113–123,doi:10.1070/RM1960v015n03ABEH004094(oder Gelfand:Collected Papers.Band 1. Springer, Berlin u. a. 1987,ISBN 3-540-13619-3).
• Ezra Getzler:Pseudodifferential operators on supermanifolds and the Atiyah-Singer Index Theorem.In:Communications in Mathematical Physics.Bd. 92, No. 2, 1983, S. 163–178,online (PDF; 1,7 MB).
• Ezra Getzler:A short proof of the local Atiyah-Singer Index Theorem.In:Topology.Bd. 25, No. 1, 1988,ISSN0040-9383,S. 111–117,online (PDF; 455 kB).
• Nicole Berline,Ezra Getzler,Michèle Vergne:Heat Kernels and Dirac Operators.Springer-Verlag, Berlin u. a. 2004,ISBN 3-540-20062-2(Beweis mit Diffusionsgleichung und Supersymmetrie).
• Richard S. Palais:Seminar on the Atiyah-Singer-Index Theorem(=Annals of Mathematics Studies57,ISSN0066-2313). Princeton University Press, Princeton NJ 1965.
• John Roe:Elliptic operators, topology and asymptotic methods(=Chapman & Hall/CRC Research Notes in Mathematics395). 2nd edition, 1st reprint. Chapman and Hall/CRC, Boca Raton FL u. a. 2001,ISBN 0-582-32502-1.
• M. I. Voitsekhovskii M. A. Shubin:Index formulas.In:Michiel Hazewinkel(Hrsg.):Encyclopedia of Mathematics.Springer-Verlag undEMSPress, Berlin 2002,ISBN 1-55608-010-7(englisch,encyclopediaofmath.org).
• S.-T. Yau (Hrsg.):The founders of index theory: reminiscences of Atiyah, Bott, Hirzebruch and Singer.International Press, Somerville 2003.

In der Physik-Literatur:

• Tohru Eguchi,Peter B. Gilkey,Andrew J. Hanson:Gravitation, Gauge Theories and Differential Geometry.Physics Reports, Band 66, 1980, S. 213–393.
• Mikio Nakahara:Geometry, Topology and Physics.Institute of Physics,2. Auflage 2003, Kapitel 12 (Index Theorems).
• Bernhard Schiekel:Krümmungen und Indexsätze – auf den Spuren von Gauß-Bonnet, Cartan, Atiyah-Singer und Witten. Eine Einführung in Geometrie und Topologie für Physiker. 2. Aufl.doi:10.18725/OPARU-17162

Weblinks

• Peter B. Gilkey:Invariance Theory, the Heat Equation, and the Atiyah–Singer Theorem.Online-Buch, Wärmeleitungsgleichungs-Methode, englisch.
• Richard Melrose:The Atiyah-Patodi-Singer Index Theorem.Online-Buch, englisch.
• Antony Wassermann:Vorlesungen über das Indextheorem.Englisch.
• Interview with Michael Atiyah and Isadore Singer.Notices AMS 2005, PDF, englisch.
• Daniel S. Freed: Atiyah-Singer Index Theorem,Arxiv, 2021
• Eine auch für Nichtspezialisten verständliche Würdigung des Theorems(anlässlich der Verleihung des Abelpreises).