Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스

Manifold series, part 11: the covector df made from a function, why the cotangent space is the dual of the tangent space, the dual basis dx, and how components change under a change of coordinatesManifold 시리즈 11편: 함수에서 만드는 코벡터 df, 코탄젠트 스페이스가 탄젠트 스페이스의 듀얼 스페이스인 까닭, 듀얼 기저 dx, 좌표를 바꿀 때 성분이 변하는 방식

Manifold series매니폴드 시리즈Part 11 of 1818편 중 11번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 11강 The Cotangent Space에 해당합니다. 지난 편까지 매니폴드의 점 pp에서 탄젠트 스페이스tangent space와 그 기저 벡터를 만들었습니다. 이번 편에서는 같은 점에서 그 듀얼 스페이스를 만듭니다. Tensor 시리즈에서 만난 듀얼 스페이스가 매니폴드 위에서는 어떤 모습인지 확인하는 편입니다.

지난 편까지의 정리

점 pp를 지나는 곡선 γ\gamma마다 속도를 하나씩 만들고, 그 속도 전체의 모음을 pp에서의 탄젠트 스페이스 TpMT_pM이라고 불렀습니다. 속도 YY는 스무스 함수smooth function f∈C∞(M)f \in C^\infty(M)에 작용해서 실수를 내놓습니다.

Y(f)=ddt (f∘γ)(t)∣t=t0,γ(t0)=pY(f) = \frac{d}{dt} \, (f \circ \gamma)(t) \Big|_{t = t_0}, \qquad \gamma(t_0) = p

TpMT_pM은 벡터 스페이스이고, 좌표를 하나 고르면 ∂1,…,∂d\partial_1, \dots, \partial_d가 기저가 됩니다. 이 글부터는 차트 기호를 쓰지 않고 그냥 좌표라고 부르겠습니다. 한 좌표계 안에서만 일하고, 좌표를 바꿀 때는 일반 상대성 이론의 관습처럼 프라임을 붙여 구별합니다.

코벡터는 함수에서 만듭니다

듀얼 스페이스의 원소는 벡터를 받아 실수를 내놓는 선형 사상이었습니다. 그러니 TpMT_pM의 벡터 YY를 받아 실수를 내놓는 사상 ω\omega를 만들면 됩니다. 탄젠트 스페이스의 벡터가 실수를 내놓는 방법은 하나뿐이고, 함수에 작용하는 것입니다. 그래서 함수 ff를 하나 정해 두고, 모든 벡터가 그 함수에 작용하게 하면 됩니다. 벡터가 곡선에 붙어 있었듯이, 코벡터covector는 함수에 붙습니다.

f∈C∞(M)f \in C^\infty(M)과 점 pp로 만든 코벡터를 dfpdf_p라고 쓰고, 이렇게 정의합니다.

dfp(Y)=Y(f)df_p (Y) = Y(f)

dfpdf_p는 벡터 YY를 받아, YY가 ff에 작용한 실수를 돌려줍니다. YY에 대해 선형이라는 점은 (Y+Z)(f)=Y(f)+Z(f)(Y + Z)(f) = Y(f) + Z(f)에서 바로 나옵니다.

Q. 벡터에는 곡선이 붙고 코벡터에는 함수가 붙는다고 이해하면 되나요?
A. 네. 벡터는 점 pp를 지나는 곡선의 속도이고, 코벡터는 함수 ff에서 만든 dfpdf_p입니다. 속도 YY가 함수 ff를 만나면 실수가 나오므로, 코벡터가 벡터를 받아 실수를 내놓는 사상이 되려면 함수가 필요합니다.

코탄젠트 스페이스

이런 dfpdf_p 전체의 모음을 코탄젠트 스페이스cotangent space라고 부르고 Tp∗MT_p^*M이라고 씁니다. 항상 별표를 붙이는 이유는 TpMT_pM의 듀얼 스페이스이기 때문입니다.

Tp∗M={ dfp∣f∈C∞(M) }T_p^*M = \{\, df_p \mid f \in C^\infty(M) \,\}

이 모음은 벡터 스페이스입니다. 합은 dfp+dgp=d(f+g)pdf_p + dg_p = d(f + g)_p이고, 실수배는 r dfp=d(rf)pr \, df_p = d(rf)_p입니다. 영 원소와 덧셈의 역원도 있습니다. 합이 맞는 이유는 d(f+g)p(Y)=Y(f+g)=Y(f)+Y(g)d(f+g)_p(Y) = Y(f+g) = Y(f) + Y(g)이기 때문입니다. (이 확인은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 강의는 벡터 스페이스임을 증명하지 않고 결과만 말합니다.) 차원은 TpMT_pM과 같습니다. 이 둘의 관계는 Tensor 시리즈의 VV와 V∗V^* 그대로이고, 탄젠트 스페이스가 밑바탕 벡터 스페이스 VV, 코탄젠트 스페이스가 그 듀얼 스페이스dual space V∗V^*입니다. 듀얼의 듀얼은 원래 스페이스로 돌아오므로 TpMT_pM도 Tp∗MT_p^*M의 듀얼입니다. 이제 매니폴드의 모든 점에서 두 스페이스가 한 쌍으로 놓입니다.

Q. 서로 다른 함수 ff와 gg가 같은 dfpdf_p를 줄 수도 있나요?
A. 줍니다. ff에 상수를 더해도 Y(f)Y(f)는 달라지지 않으므로 dfpdf_p는 같습니다. dfpdf_p는 ff 전체를 기억하지 못하고 pp 근처에서 ff가 일차로 변하는 방식만 기억하는 대상입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

듀얼 기저 dxidx^i

탄젠트 스페이스의 기저 ∂j\partial_j에 대한 듀얼 기저dual basis θi\theta^i는 θi(∂j)=δij\theta^i(\partial_j) = \delta^i{}_j를 만족하는 코벡터입니다. 후보는 좌표 함수 xix^i에서 만든 dxidx^i입니다. 좌표 함수도 매니폴드에서 실수로 가는 스무스 함수이므로 dxidx^i를 쓸 수 있고, 위 정의에 따라 계산합니다.

dxpi(∂j)=∂j(xi)=∂xi∂xj=δijdx^i_p (\partial_j) = \partial_j (x^i) = \frac{\partial x^i}{\partial x^j} = \delta^i{}_j

xix^i는 i=ji = j일 때만 xjx^j에 의존하므로 델타가 나옵니다. 이 계산에서는 차트의 역함수와 합성해서 정의했던 처음의 식으로 돌아갈 필요가 없습니다. 편미분처럼 다루도록 표기를 정해 둔 덕분이고, 표기를 고른 이유가 바로 이것입니다. 따라서 Tp∗MT_p^*M의 임의의 원소 ω\omega는 성분 ωi\omega_i로 이렇게 씁니다.

ω=ωi dxpi,ωi=ω(∂i)\omega = \omega_i \, dx^i_p, \qquad \omega_i = \omega(\partial_i)

특히 함수에서 만든 코벡터의 성분은 dfp=∂f∂xidxpidf_p = \dfrac{\partial f}{\partial x^i} dx^i_p로, 함수의 편미분입니다. (성분이 편미분이라는 사실은 위 정의에 ∂i\partial_i를 넣으면 바로 나오는 결과이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 모든 코벡터가 어떤 dfpdf_p 꼴이라는 것도 여기서 따라옵니다. 좌표 함수에 성분을 곱해 더한 함수 ωixi\omega_i x^i의 dd가 ω\omega이기 때문입니다. 좌표 함수는 차트 안에서만 정의되므로 엄밀하게는 차트 밖에서 0이 되게 다듬은 함수를 쓰면 됩니다. (이 설명도 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

한편 pp를 계속 달고 다니는 것은 곡선에서 출발했기 때문에 점의 위치를 먼저 정해야 했던 흔적입니다. 앞서 정리한 Tensor 시리즈에서는 벡터 스페이스 하나를 만들고 그것을 모든 점에 하나씩 놓겠다고 했기 때문에 pp를 쓰지 않았습니다. 이 pp는 벡터장을 다루면서 매니폴드를 더 큰 것으로 넓힐 때 없앨 수 있습니다.

좌표를 바꾸면 성분은 어떻게 변할까요

좌표 xix^i에서 yjy^j로 바꾸면 기저 벡터는 ∂yj=∂xi∂yj∂xi\partial_{y^j} = \dfrac{\partial x^i}{\partial y^j} \partial_{x^i}로 바뀝니다. 벡터 YY는 대상이 그대로이므로 성분이 반대로 변합니다.

Y′ j=∂yj∂xiYiY'^{\,j} = \frac{\partial y^j}{\partial x^i} Y^i

코벡터 성분은 ωj′=ω(∂yj)\omega'_j = \omega(\partial_{y^j})이므로, ω\omega가 선형이라는 점을 써서 기저 벡터의 변환을 그대로 넣으면 이렇게 됩니다.

ωj′=∂xi∂yjωi\omega'_j = \frac{\partial x^i}{\partial y^j} \omega_i

벡터 성분에 곱해지는 ∂y/∂x\partial y / \partial x와 코벡터 성분에 곱해지는 ∂x/∂y\partial x / \partial y는 서로 역수입니다. 강의에서 말한 “반대 방향” 관계가 이것이고, 벡터 성분을 반변contravariant, 코벡터 성분을 공변covariant이라고 부르는 이유입니다. (강의는 이 변환의 증명을 건너뛰고 Tensor 시리즈의 증명과 거의 같다고만 말합니다. 위 유도는 기저 벡터의 변환에서 바로 얻도록 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 두 변환이 서로 역이므로 ωj′Y′ j=ωiYi\omega'_j Y'^{\,j} = \omega_i Y^i가 되어, 코벡터가 벡터에 작용한 실수는 좌표가 달라져도 같습니다. (이 확인은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 코벡터 성분을 공변이라고 부르는 이유가 무엇인가요?
A. 코벡터 성분 ωi\omega_i가 바뀌는 방식이 기저 벡터 ∂i\partial_i가 바뀌는 방식과 같은 쪽 도함수 ∂x/∂y\partial x / \partial y이기 때문입니다. 기저와 함께 변하므로 공변이고, 벡터 성분은 기저와 반대로 변하므로 반변입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

아래 장난감에서 직접 확인해 보세요. 점 pp와 속도 YY를 끌고, 함수와 좌표계를 바꿔 봅니다. 초록 선은 dfpdf_p가 만드는 등고선이고, YY가 그 선을 가로지르는 칸 수가 dfp(Y)df_p(Y)입니다. 좌표계를 바꾸면 YY의 성분과 dfdf의 성분은 바뀌어도 두 성분의 합은 그대로입니다.

점마다 쌓이는 스페이스들과 번들

탄젠트 스페이스와 코탄젠트 스페이스를 모두 갖추었으니, 이 둘로 만들 수 있는 텐서곱 스페이스tensor product space도 같은 점에서 모두 만들 수 있습니다. TpMT_pM을 mm번, Tp∗MT_p^*M을 nn번 곱한 (m,n)(m, n) 꼴의 스페이스 전부이고, 모두 그 점을 지나는 곡선과 그 점에서 쓰이는 스무스 함수로 만들어집니다. 그래서 매니폴드의 점마다 이 스페이스들이 하나씩 붙습니다.

다음 단계는 매니폴드와 이 스페이스들을 한꺼번에 담는 더 큰 매니폴드를 만드는 것입니다. 원래 매니폴드를 베이스 매니폴드라고 부르고, 거기에 모든 점의 탄젠트 스페이스를 붙인 것이 탄젠트 번들tangent bundle, 코탄젠트 스페이스를 붙인 것이 코탄젠트 번들cotangent bundle, 텐서곱 스페이스를 붙인 것이 텐서곱 스페이스 번들입니다. 번들은 그 자체가 위상을 가진 매니폴드이고 국소적으로 유클리드 공간이므로, 탄젠트 번들의 차원은 베이스의 dd에 탄젠트 스페이스의 dd가 더해진 2d2d로 늘어납니다. 번들에 대해서는 다음 편들에서 다룹니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 11 of the playlist, The Cotangent Space. Up to the previous post we built the tangent space at a point pp of the manifold and its basis vectors. This time we build its dual space at the same point. It is where we see what the dual space from the Tensor series looks like on a manifold.

Recap of the previous posts

For each curve γ\gamma through pp we made a velocity, and the collection of all these velocities was called the tangent space TpMT_pM at pp. A velocity YY acts on a smooth function f∈C∞(M)f \in C^\infty(M) and gives a real number.

Y(f)=ddt (f∘γ)(t)∣t=t0,γ(t0)=pY(f) = \frac{d}{dt} \, (f \circ \gamma)(t) \Big|_{t = t_0}, \qquad \gamma(t_0) = p

TpMT_pM is a vector space, and once we choose a coordinate system, ∂1,…,∂d\partial_1, \dots, \partial_d is a basis. From this post on I will drop the chart symbol and just say coordinates. We work within one coordinate system, and when we change coordinates we mark the new one with a prime, as in general relativity.

Covectors are made from functions

An element of the dual space was a linear map that takes a vector and gives a real number. So we need a map ω\omega that takes a vector YY of TpMT_pM and gives a real number. A vector of the tangent space has only one way to give a real number, which is to act on a function. So we fix one function ff and let every vector act on it. Just as a vector was attached to a curve, a covector is attached to a function.

The covector made from f∈C∞(M)f \in C^\infty(M) and the point pp is written dfpdf_p, and it is defined by

dfp(Y)=Y(f)df_p (Y) = Y(f)

dfpdf_p takes a vector YY and returns the real number that comes from YY acting on ff. It is linear in YY because (Y+Z)(f)=Y(f)+Z(f)(Y + Z)(f) = Y(f) + Z(f).

Q. Can I understand it as a curve attached to a vector and a function attached to a covector?
A. Yes. A vector is the velocity of a curve through pp, and a covector is the dfpdf_p made from a function ff. A real number comes out when a velocity YY meets a function ff, so for a covector to be a map that takes a vector and gives a real number, it needs a function.

The cotangent space

The collection of all such dfpdf_p is called the cotangent space and written Tp∗MT_p^*M. The star is always there because it is the dual space of TpMT_pM.

Tp∗M={ dfp∣f∈C∞(M) }T_p^*M = \{\, df_p \mid f \in C^\infty(M) \,\}

This collection is a vector space. The sum is dfp+dgp=d(f+g)pdf_p + dg_p = d(f + g)_p, and the scalar multiple is r dfp=d(rf)pr \, df_p = d(rf)_p. It also has a zero element and additive inverses. The sum works because d(f+g)p(Y)=Y(f+g)=Y(f)+Y(g)d(f+g)_p(Y) = Y(f+g) = Y(f) + Y(g). (This check is added for understanding and was not covered in the lecture. The lecture states the result without proving that it is a vector space.) The dimension equals that of TpMT_pM. The relation between the two is exactly VV and V∗V^* of the Tensor series: the tangent space is the underlying vector space VV and the cotangent space is its dual space V∗V^*. The dual of the dual returns to the original space, so TpMT_pM is also the dual of Tp∗MT_p^*M. Now both spaces sit as a pair at every point of the manifold.

Q. Can different functions ff and gg give the same dfpdf_p?
A. They can. Adding a constant to ff does not change Y(f)Y(f), so dfpdf_p stays the same. dfpdf_p remembers not the whole of ff but only how ff changes to first order near pp. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

The dual basis dxidx^i

The dual basis θi\theta^i for the basis ∂j\partial_j of the tangent space consists of covectors satisfying θi(∂j)=δij\theta^i(\partial_j) = \delta^i{}_j. The candidate is dxidx^i, made from the coordinate function xix^i. A coordinate function is also a smooth function from the manifold to the real numbers, so we can form dxidx^i, and we compute with the definition above.

dxpi(∂j)=∂j(xi)=∂xi∂xj=δijdx^i_p (\partial_j) = \partial_j (x^i) = \frac{\partial x^i}{\partial x^j} = \delta^i{}_j

The coordinate xix^i depends on xjx^j only when i=ji = j, which gives the delta. In this computation we do not need to go back to the original definition that composes with the inverse of the chart. The notation was chosen to behave like partial derivatives, and this is exactly the reason for that choice. So any element ω\omega of Tp∗MT_p^*M is written with components ωi\omega_i as

ω=ωi dxpi,ωi=ω(∂i)\omega = \omega_i \, dx^i_p, \qquad \omega_i = \omega(\partial_i)

In particular the components of a covector made from a function are dfp=∂f∂xidxpidf_p = \dfrac{\partial f}{\partial x^i} dx^i_p, the partial derivatives of the function. (That the components are partial derivatives follows at once by putting ∂i\partial_i into the definition above, and it was not covered in the lecture.) It also follows that every covector has the form dfpdf_p for some function. The dd of the function ωixi\omega_i x^i, the coordinate functions multiplied by the components and added, is ω\omega. Coordinate functions are defined only inside a chart, so strictly one uses a function trimmed to be 0 outside the chart. (This explanation was not covered in the lecture either.)

By the way, carrying pp around is a trace of the fact that we started from curves and had to fix the location of the point first. In the earlier Tensor series we did not write pp, because we made one vector space and then said we would put a copy of it at every point. We can get rid of this pp when we deal with vector fields and enlarge the manifold into something bigger.

How do components change under a change of coordinates?

When the coordinates change from xix^i to yjy^j, the basis vectors change as ∂yj=∂xi∂yj∂xi\partial_{y^j} = \dfrac{\partial x^i}{\partial y^j} \partial_{x^i}. The vector YY itself stays the same, so its components change in the opposite way.

Y′ j=∂yj∂xiYiY'^{\,j} = \frac{\partial y^j}{\partial x^i} Y^i

The components of a covector are ωj′=ω(∂yj)\omega'_j = \omega(\partial_{y^j}). Since ω\omega is linear, we put in the transformation of the basis vectors as it is, and get

ωj′=∂xi∂yjωi\omega'_j = \frac{\partial x^i}{\partial y^j} \omega_i

The ∂y/∂x\partial y / \partial x multiplied into the vector components and the ∂x/∂y\partial x / \partial y multiplied into the covector components are reciprocals of each other. This is the “opposite direction” relation the lecture mentions, and it is why vector components are called contravariant and covector components covariant. (The lecture skips the proof of this transformation and says only that it is nearly the same as the proof in the Tensor series. The derivation above is added to get it directly from the transformation of the basis vectors, and it was not covered in the lecture.) Because the two transformations are inverse to each other, ωj′Y′ j=ωiYi\omega'_j Y'^{\,j} = \omega_i Y^i, so the real number a covector gives on a vector is the same in any coordinates. (This check is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Q. Why are covector components called covariant?
A. The way a covector component ωi\omega_i changes uses the same derivative ∂x/∂y\partial x / \partial y as the way the basis vector ∂i\partial_i changes. It varies together with the basis, so it is covariant, and a vector component varies opposite to the basis, so it is contravariant. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Try it in the toy below. Drag the point pp and the velocity YY, and change the function and the coordinates. The green lines are the level lines that dfpdf_p makes, and the number of steps YY crosses is dfp(Y)df_p(Y). When you change the coordinates, the components of YY and of dfdf change, but the sum of the two stays the same.

Spaces stacked at every point, and bundles

Now that we have both the tangent and the cotangent space, we can also build every tensor product space made from them at the same point. These are all the spaces of type (m,n)(m, n) with TpMT_pM taken mm times and Tp∗MT_p^*M taken nn times, and all of them are made from the curves through that point and the smooth functions used at that point. So each point of the manifold gets one copy of each of these spaces.

The next step is to build a bigger manifold that holds the manifold and these spaces all at once. The original manifold is called the base manifold. Attaching the tangent space of every point gives the tangent bundle, attaching the cotangent spaces gives the cotangent bundle, and attaching the tensor product spaces gives a tensor product space bundle. A bundle is itself a manifold with a topology, and it is locally Euclidean, so the dimension of the tangent bundle grows to 2d2d, the dd of the base plus the dd of the tangent space. We deal with bundles in the next posts.

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