Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
Manifold series, part 10: defining the tangent space basis vectors ∂/∂x^i in a chart, and deriving with the chain rule how components change when the chart changesManifold 시리즈 10편: 차트에서 접공간의 기저 벡터 ∂/∂x^i를 정의하고, 차트를 바꿀 때 성분이 변하는 규칙을 연쇄 법칙으로 유도
Manifold series매니폴드 시리즈Part 10 of 1818편 중 10번째
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- Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
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- Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
- Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
- Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
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- Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
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- Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
- Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차
- 지난 편에서 얻은 것
- 기저는 차트 하나를 정해야 만들 수 있습니다
- 속도에 항등사상을 끼워 넣습니다
- 성분과 기저 벡터
- 표기를 줄이는 법과 그 위험
- 접공간의 기저
- 차트를 바꾸면 성분은 어떻게 변하나요?
- 정리와 다음 강의
- What we got last time
- A basis needs one chart
- Insert the identity into the velocity
- Components and basis vectors
- Shortening the notation, and its dangers
- The basis of the tangent space
- How do components change when the chart changes?
- Summary and the next lecture
XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 10강 Tangent Space - Basis Vectors에 해당합니다. 앞 내용은 지난 편에서 정리했습니다.
지난 편에서 얻은 것
지난 편에서 어려운 구성을 마쳤으므로 오늘은 한결 수월합니다. 점 를 지나는 모든 곡선의 속도를 모은 접공간이 벡터 스페이스임을, 덧셈이 닫혀 있다는 증명으로 확인했습니다. 곡선 의 속도는 매끄러운 함수 를 받아 이렇게 실수를 내놓는 사상입니다.
스칼라배도 비슷한 방식으로 닫혀 있어서, 접공간의 원소를 속도라고만 하지 않고 벡터라고도 불러도 됩니다. 곡선의 매개변수를 에서 로 바꾼 곡선은 같은 점을 지나도 두 배 빠르게 가므로 다른 곡선이고 속도도 두 배입니다. 점마다 곡선들이 모이므로 매니폴드의 점마다 자기 접공간이 있습니다. 한 곡선이 두 점을 모두 지날 수 있어도, 두 점의 접공간은 서로 다른 벡터 스페이스입니다.
오늘 할 일은 이 벡터 스페이스의 기저를 만드는 것과, 좌표계를 바꿀 때 벡터의 성분이 어떻게 변하는지 보는 것입니다. 쌍대인 코탄젠트 공간은 다음 강의로 미뤄집니다.
기저는 차트 하나를 정해야 만들 수 있습니다
곡선의 속도를 계산할 때는 차트가 곡선의 도함수를 가능하게 했습니다. 기저도 마찬가지로 차트 하나를 정해야 정의됩니다. 매니폴드 의 아틀라스에서 차트 를 하나 고르겠습니다. 점 를 에서 지나는 곡선 와, 매니폴드에서 실수로 가는 임의의 시험 함수 를 둡니다.
속도에 항등사상을 끼워 넣습니다
정의대로 쓰면 입니다. 여기에 를 끼웁니다. 항등사상이라 값이 변하지 않습니다.
바깥 함수 는 에서 로, 안쪽 함수 는 에서 로 갑니다. 다변수 연쇄 법칙을 쓰면 편미분과 한 변수 도함수의 곱을 모은 합이 됩니다.
앞의 인수는 를 번째 변수로 편미분하고 에서 잰 값이고, 뒤의 인수는 곡선의 차트 표현의 번째 좌표를 로 미분하고 에서 잰 값입니다. 안쪽 함수는 한 변수의 함수이므로 합이나 첨자 없이 단순한 도함수로 곱해집니다. 이 식은 차트 를 골라서 쓴 것이라 다른 차트를 쓰면 식도 달라집니다.
성분과 기저 벡터
식을 두 부분으로 읽습니다. 하나는 곡선에서만 정해지는 숫자입니다.
곡선의 차트 표현 의 속도를 성분별로 적은 개의 실수입니다. 곡선이 달라지면 이 숫자가 달라집니다. 다른 하나는 곡선과 상관없이 에 숫자를 주는 연산입니다.
여기서 는 차트 의 좌표 함수입니다. 이 기호는 사실 에 먼저 를 합성해 위의 함수로 만든 다음, 번째 변수로 편미분하고 점 의 차트 표현에서 값을 읽으라는 뜻을 줄여 쓴 것입니다. 이렇게 쓰면 위 식은 한 줄이 됩니다.
(같은 첨자가 위아래에 있으면 합하는 아인슈타인 합 규약을 썼습니다.) 는 실수이고 는 함수에 작용하는 연산자입니다. 곧 속도는 숫자들과 미분 연산자들의 일차결합입니다.
표기를 줄이는 법과 그 위험
이 기호는 차트를 숨기는 줄임입니다. 차트를 처럼 사상 자체를 라고 부르는 방법도 있습니다. 그러면 이고 다른 차트 는 입니다. 사상과 좌표 함수가 같은 글자를 쓰는 이 표기는 널리 쓰이지만, 가 좌표 하나인지 전체 사상인지 헷갈리기 쉽다는 약점이 있습니다.
줄이면 두 가지가 눈에 보이지 않습니다. 하나는 가 자체의 미분이 아니고 , 곧 에서 로 가는 함수의 편미분이라는 점입니다. 미분은 그 함수에서만 할 수 있기 때문입니다. 다른 하나는 값을 에서 읽는다고 쓰지만 실제로는 의 차트 표현 에서 읽는다는 점입니다. 그럼에도 이 기호는 계산에서 아주 효율적이어서, 뜻을 한 번 이해한 뒤에는 를 의 함수로 보고 그냥 편미분하면 됩니다.
Q. 는 왜 벡터인가요? 미분 연산자라고 배웠는데요?
A. 둘 다 맞습니다. 접공간의 원소는 함수를 받아 실수를 내놓는 사상으로 정의했고, 는 에 라는 실수를 줍니다. 이 사상이 접공간의 원소이므로 벡터이고, 함수에 작용하는 모양 때문에 미분 연산자로 보입니다.
접공간의 기저
를 차트 에 대한 의 기저라고 부릅니다. 접공간의 어느 벡터든 꼴이라는 것이 위에서 보인 사실이고, 이 모양은 Tensor 시리즈에서 시공간의 점마다 선언했던 기저와 같습니다. 달라진 점은 이번에는 매니폴드의 정의에서 이 벡터 스페이스를 만들어 냈다는 것이고, 한 점 에서만 성립한다는 것입니다. 점이 바뀌면 접공간이 바뀌고 기저도 바뀝니다.
기저가 되려면 일차독립도 필요합니다. 좌표 함수 자신을 시험 함수로 넣으면 이므로, 이면 모든 에서 입니다. 그래서 기저의 개수는 차트의 차원 이고, 접공간의 차원은 매니폴드의 차원과 같습니다. 같은 식에서 성분 도 읽힙니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
차트를 바꾸면 성분은 어떻게 변하나요?
기저는 차트와 좌표 함수에 완전히 묶여 있습니다. 시험 함수 도 를 거쳐 그 좌표계의 함수가 되기 때문입니다. 좌표계를 바꾸는 것은 차트를 바꾸는 것이므로, 같은 벡터를 두 차트로 쓰는 법을 비교해 봅니다. 차트 의 좌표 함수를 , 차트 의 좌표 함수를 라 하고, 둘 다 를 포함한다고 하겠습니다. 벡터 는 두 방식으로 쓰입니다.
를 로 나타내려면 정의로 돌아가야 합니다. 기저 벡터 를 시험 함수 에 작용시키는 식에 를 끼웁니다.
안쪽은 전이 함수 이고, 바깥은 입니다. 연쇄 법칙을 쓰면 바깥 함수의 번째 편미분과 전이 함수의 번째 성분의 번째 편미분이 곱해집니다.
첫 인수는 이고, 둘째 인수는 전이 함수의 성분 를 옛 좌표 로 편미분한 입니다. 이 값은 이미 알고 있는 함수이고 차트 두 개가 확정되어 있으면 계산됩니다. 를 지우면 기저 벡터의 변환 규칙이 나옵니다.
이것을 에 넣으면 이고, 같은 기저 의 계수를 비교하면 성분의 변환 규칙이 나옵니다.
합 첨자는 이고 남는 첨자는 입니다. 일반 상대성 이론 교과서가 새 좌표가 옛 좌표의 함수라는 뜻으로 쓰던 바로 그 변환 규칙이 매니폴드의 정의에서 나왔습니다. 모든 것이 한 점 에서 일어나므로 는 그 점에서의 숫자입니다.
Q. 는 어디에서 계산하나요?
A. 의 옛 차트 표현 에서 계산합니다. 전이 함수의 번째 성분을 번째 변수로 편미분한 값이라 점이 바뀌면 숫자가 바뀝니다.
아래 장난감에서 평면 위의 점과 접벡터 를 끌어 보세요. 같은 를 카테시안 기저 와 극좌표 기저 로 쓴 성분이 나란히 보이고, 변환 규칙의 야코비 행렬 로 계산한 값이 처음 벡터를 되살립니다. 시험 함수 에 를 작용시킨 값도 두 차트에서 같게 나옵니다. (카테시안과 극좌표를 쓴 이 예와 장난감은 이해를 돕기 위해 보탠 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 곡선의 매개변수를 두 배 빠르게 바꾸면 성분은 어떻게 되나요?
A. 곡선 를 로 바꾼 곡선은 다른 곡선입니다. 차트 표현의 번째 좌표의 미분이 두 배가 되므로 성분 가 모두 두 배가 되고, 벡터는 입니다.
정리와 다음 강의
접공간의 기저 벡터는 차트의 좌표 함수에 대한 편미분 연산자 이고, 정의는 에 를 합성해 위에서 편미분한 값을 에서 읽는 것입니다. 차트를 바꾸면 기저는 야코비 행렬 로 바뀌고 성분은 로 바뀝니다. 이것이 일반 상대성 이론의 좌표 변환 규칙과 같습니다. 이 규칙은 앞으로 다시 유도하지 않고 Tensor 시리즈에서 쓰던 형태로 돌아가 쓸 것입니다. 다음 강의에서는 접공간의 쌍대인 코탄젠트 공간을 다룹니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 10 of the playlist, Tangent Space - Basis Vectors. The earlier material is in the previous post.
What we got last time
The hard construction was finished in the previous post, so today is easier. We confirmed, by proving closure under addition, that the tangent space, which collects the velocities of all curves through a point , is a vector space. The velocity of a curve is a map that takes a smooth function and gives a real number like this.
Scalar multiples are closed in a similar way, so we may now call the elements of the tangent space vectors, not only velocities. A curve with the parameter changed from to passes through the same point but moves twice as fast, so it is a different curve and its velocity is twice as large. Curves gather at every point, so every point of the manifold has its own tangent space. Even if one curve passes through two points, the tangent spaces at the two points are different vector spaces.
Today’s job is to build a basis of this vector space and to see how the components of a vector change when we change the coordinate system. The dual, the cotangent space, is left for the next lecture.
A basis needs one chart
When we computed the velocity of a curve, the chart made differentiating the curve possible. A basis likewise is defined only after we fix one chart. Pick one chart from the atlas of the manifold . Take a curve passing through the point at , and an arbitrary test function from the manifold to the reals.
Insert the identity into the velocity
Written by definition, . Insert here. It is the identity, so the value does not change.
The outer function goes from to , and the inner function goes from to . The multivariable chain rule gives a sum of products of partial derivatives and one-variable derivatives.
The first factor is the value of the -th partial derivative of measured at , and the second factor is the derivative in of the -th coordinate of the chart representative of the curve, measured at . The inner function has one variable, so it is multiplied as a plain derivative with no sum or index of its own. This formula is written by choosing the chart , so a different chart gives a different formula.
Components and basis vectors
Read the formula in two parts. One is a set of numbers determined only by the curve.
These are real numbers, the velocity of the chart representative written component by component. Changing the curve changes these numbers. The other is an operation that gives a number to regardless of the curve.
Here is a coordinate function of the chart . This symbol is shorthand for the instruction to first compose with to make a function on , then take the partial derivative in the -th variable and read the value at the chart representative of the point . With it, the formula above becomes one line.
(We used the Einstein summation convention, which sums over an index appearing both up and down.) is a real number and is an operator acting on functions. So a velocity is a linear combination of numbers and differential operators.
Shortening the notation, and its dangers
This symbol is a shorthand that hides the chart. There is also a way to call the map itself , writing the chart as . Then , and another chart has . This notation, where the map and its coordinate functions share a letter, is widely used, but its weakness is that it is easy to confuse whether is one coordinate or the whole map.
Shortening hides two things. One is that is the partial derivative not of itself but of , a function from to . This is because differentiation can be done only for that function. The other is that we write that the value is read at , but it is really read at the chart representative of . Still, this symbol is very efficient in calculations, and once you understand its meaning, you can regard as a function of the and just take partial derivatives.
Q. Why is a vector? Is it not a differential operator?
A. Both are true. We defined the elements of the tangent space as maps that take a function and give a real number, and gives the real number . This map is an element of the tangent space, so it is a vector, and its form of acting on functions makes it look like a differential operator.
The basis of the tangent space
We call the basis of for the chart . That every vector of the tangent space has the form is what we showed above, and this shape is the same as the basis we declared at each spacetime point in the Tensor series. What differs is that this time we produced this vector space from the definition of the manifold, and that it holds only at the one point . When the point changes, the tangent space changes and so does the basis.
To be a basis, linear independence is also needed. Put the coordinate function itself in as the test function, and , so if then for every . So the number of basis vectors is the dimension of the chart, and the dimension of the tangent space equals the dimension of the manifold. The same formula also reads off the components as . (This explanation is added to aid understanding and was not covered in the lecture.)
How do components change when the chart changes?
The basis is completely tied to the chart and its coordinate functions, because the test function also becomes a function of that coordinate system through . Changing the coordinate system is changing the chart, so we compare two ways of writing the same vector in two charts. Let the coordinate functions of the chart be , those of the chart be , and suppose both contain . The vector is written in two ways.
To express through we must return to the definition. In the formula where the basis vector acts on a test function , insert .
The inner part is the transition function , and the outer part is . By the chain rule, the -th partial derivative of the outer function is multiplied by the -th partial derivative of the -th component of the transition function.
The first factor is , and the second is , the partial derivative of the component of the transition function in the old coordinate . This value is a known function, and it can be computed once the two charts are fixed. Erasing gives the transformation rule of the basis vectors.
Put this into to get , and comparing the coefficients of the same basis gives the transformation rule of the components.
The summed index is and the free index is . The very transformation rule that general relativity textbooks use, with the meaning that new coordinates are functions of old coordinates, has come out of the definition of a manifold. Everything happens at the one point , so is a number at that point.
Q. Where do we compute ?
A. We compute it at , the old chart representative of . It is the partial derivative of the -th component of the transition function in the -th variable, so the number changes when the point changes.
In the toy below, drag the point on the plane and the tangent vector . The components of the same in the Cartesian basis and in the polar basis are shown side by side, and the values computed with the Jacobian matrix of the transformation rule rebuild the original vector. The value gives when acting on the test function is also the same in both charts. (This example with Cartesian and polar coordinates, and the toy, are added to aid understanding and were not covered in the lecture.)
Q. What happens to the components if we change the parameter of the curve to run twice as fast?
A. The curve in place of is a different curve. The derivative of the -th coordinate of the chart representative doubles, so every component doubles, and the vector is .
Summary and the next lecture
The basis vectors of the tangent space are the partial derivative operators with respect to the coordinate functions of a chart, defined by composing with , taking the partial derivative on , and reading the value at . When the chart changes, the basis changes by the Jacobian matrix and the components change by . This is the same as the coordinate transformation rule of general relativity. We will not derive this rule again from now on and will go back to the form we used in the Tensor series. The next lecture covers the dual of the tangent space, the cotangent space.
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