Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스

Tensor series, part 10: adding one function that takes two vectors and returns a real number to make an inner product space, and defining it through a basisTensor 시리즈 10편: 벡터 스페이스에 두 벡터를 받아 실수를 내놓는 함수 하나를 더해 내적 스페이스로 만들고, 기저로 내적을 정의

Tensor series텐서 시리즈Part 10 of 4040편 중 10번째
  1. Tensor #1. Elementary Vector Space텐서 #1. 기초적인 벡터 스페이스
  2. Tensor #2. Einstein Notation and Maps텐서 #2. 아인슈타인 표기법과 맵
  3. Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스
  4. Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트
  5. Tensor #5. Tensor Products텐서 #5. 텐서 프로덕트
  6. Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
  7. Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크
  8. Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환
  9. Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환
  10. Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스
  11. Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
  12. Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스
  13. Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션
  14. Tensor #14. Vector and Tensor Fields텐서 #14. 벡터장과 텐서장
  15. Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
  16. Tensor #16. The Metric Tensor Field텐서 #16. 메트릭 텐서장
  17. Tensor #17. The Covariant Derivative (Elementary Pedagogy)텐서 #17. 공변 미분 (초보적인 방법)
  18. Tensor #18. The Covariant Derivative, Continued텐서 #18. 공변미분 이어서
  19. Tensor #19. Algebraic Structures I텐서 #19. 대수 구조 I
  20. Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지
  21. Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분
  22. Tensor #22. Invitation to p-forms텐서 #22. p-형식으로의 초대
  23. Tensor #23. Operations on p-forms: The Exterior Algebra텐서 #23. p-형식의 연산과 외대수
  24. Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
  25. Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습
  26. Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습
  27. Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1
  28. Tensor #28. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 2텐서 #28. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 2
  29. Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
  30. Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
  31. Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
  32. Tensor #32. Tensor Density Examples텐서 #32. 텐서 밀도의 예
  33. Tensor #33. Duality and the Hodge Dual (Part 1)텐서 #33. 쌍대성과 호지 쌍대 (1부)
  34. Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
  35. Tensor #35. Other Notions of Duality텐서 #35. 또 다른 쌍대
  36. Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
  37. Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집
  38. Tensor #38. All Possible Operations텐서 #38. 가능한 모든 연산
  39. Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
  40. Tensor #40. Special Lecture: Tangent Spaces and Coordinate Basis텐서 #40. 특별 강의: 탄젠트 스페이스와 좌표 기저
Contents목차

XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 10강 Metric spaces에 해당합니다. 지난 편까지 만든 것에 처음으로 새 재료를 하나 더합니다.

새로 더하는 것

실수 위의 4차원 벡터 스페이스 V\V 하나에서 시작해 듀얼 스페이스, 여러 텐서 프로덕트 스페이스, 기저 변환까지 만들었습니다. 모두 V\V와 논리만으로 저절로 생긴 것이고, 우리는 새 재료를 더하지 않으려고 엄격하게 지켜 왔습니다. 이번 편이 그 약속을 처음 깨는 자리입니다.

V\V의 임의의 벡터 두 개를 두 자리에 받아서 실수 하나를 내놓는 함수를 찾습니다. 가능한 함수는 많고, 우리는 그중 마음에 드는 하나를 골라 V\V에 얹을 겁니다. 벡터 스페이스가 원래 가진 부품은 벡터 합과 스칼라 곱뿐이었는데, 이제 이 함수가 한 가지 부품으로 더 붙습니다. 수학자들은 이렇게 부품이 늘어난 스페이스를 승진했다고 표현하기를 좋아합니다.

이 함수가 지킬 성질

고른 함수를 (v, w)\ip{v}{w}라고 쓰고 아래 성질을 요구합니다. 먼저 어느 자리든 스칼라 λ∈R\lambda \in \mathbb{R}는 밖으로 나옵니다.

(λv, w)=λ (v, w)=(v, λw)\ip{\lambda v}{w} = \lambda\,\ip{v}{w} = \ip{v}{\lambda w}

벡터 합도 쪼개집니다. 두 자리 모두에서 그렇습니다.

(u+v, w)=(u, w)+(v, w),(u, v+w)=(u, v)+(u, w)\ip{u + v}{w} = \ip{u}{w} + \ip{v}{w}, \qquad \ip{u}{v + w} = \ip{u}{v} + \ip{u}{w}

두 식을 합치면 각 자리에서 선형이라는 뜻입니다. 그리고 일반 상대성 이론에서 필요한 대로 대칭이어야 합니다.

(v, w)=(w, v)\ip{v}{w} = \ip{w}{v}

대칭은 수학 전체로 보면 필수가 아닙니다. 반대칭인 함수도 비슷한 일을 합니다. 우리는 이 시리즈의 목적에 맞게 대칭을 요구할 뿐입니다.

쓰지 않는 성질

내적을 정의할 때 이런 성질이 함께 붙는 책이 많습니다.

(v, v)≥0,(v, v)=0  ⟺  v=0\ip{v}{v} \ge 0, \qquad \ip{v}{v} = 0 \iff v = 0

이 성질을 양의 정부호positive definite라고 부르고, 이 성질을 빼고 내적을 정의하는 책도 많습니다. 어느 쪽인지는 책이 어디로 가려는지에 따라 다르고, 일반 상대성 이론에서는 이 성질을 쓰지 않습니다. 이 성질을 가진 내적이면 리만Riemannian 메트릭이고, 이 성질이 없는 내적은 부정부호indefinite입니다. 부정부호 내적을 가진 스페이스가 유사 리만pseudo-Riemannian 스페이스이고, 일반 상대성 이론은 이쪽을 씁니다.

이렇게 골라 얹은 함수를 내적inner product 또는 메트릭metric이라 부르고, 이것을 가진 벡터 스페이스를 내적 스페이스inner product space 또는 메트릭 스페이스라고 부릅니다. 메트릭 스페이스를 양의 정부호까지 갖춘 것으로 정의하는 책도 있지만 이 시리즈는 그렇게 하지 않습니다. (수학에서 거리 함수를 가진 집합을 가리키는 메트릭 스페이스와는 쓰임이 다릅니다. 이 설명은 용어를 구분하려고 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

표기

같은 일을 하는 표기가 몇 가지 있습니다. 이 시리즈는 쉼표를 넣은 괄호 (v, w)\ip{v}{w}를 씁니다. 지금까지 순서쌍과 겹치지만 순서쌍은 더 이상 쓰지 않아서 헷갈릴 일이 적습니다. 양자역학의 브라켓 ⟨v∣w⟩\langle v \vert w \rangle도 같은 뜻이지만 복소수 벡터 스페이스에 더 어울리는 표기라서 쓰지 않습니다. 초등 물리의 점곱 v⋅wv \cdot w도 내적이 맞습니다. 다만 점곱에서는 v⋅vv \cdot v가 음수가 될 수 없다고 늘 보아 와서 양의 정부호가 저절로 떠오르므로 쓰지 않습니다.

Q. 다른 벡터 스페이스 W\mathcal{W}의 벡터도 V\V의 내적에 넣을 수 있나요?
A. 넣을 수 없습니다. 내적은 자기가 붙은 스페이스의 벡터 두 개만 받습니다. W\mathcal{W}에는 W\mathcal{W} 자신의 내적이 따로 있고, 두 벡터가 모두 그 스페이스에서 와야 합니다.

Q. (v, w)\ip{v}{w}는 지금까지 쓴 ⟨β,v⟩\map{\beta}{v}와 같은 종류의 맵인가요?
A. 다릅니다. ⟨β,v⟩\map{\beta}{v}는 듀얼 벡터 하나와 벡터 하나를 받는 듀얼 스페이스의 맵입니다. (v, w)\ip{v}{w}는 벡터 두 개를 받는 특별한 맵이고, 괄호 모양이 그 차이를 알려 줍니다.

기저로 정의하기

내적이 있다는 것은 기저 벡터끼리의 내적 값을 안다는 뜻입니다. 두 벡터 aμeμa^\mu e_\mu와 bνeνb^\nu e_\nu를 넣으면, 상수는 밖으로 나오고 합은 쪼개져서 이렇게 됩니다.

(aμeμ, bνeν)=aμbν (eμ, eν)\ip{a^\mu e_\mu}{b^\nu e_\nu} = a^\mu b^\nu\, \ip{e_\mu}{e_\nu}

전개하면 a0b0(e0, e0)+a0b1(e0, e1)+⋯+a3b3(e3, e3)a^0 b^0 \ip{e_0}{e_0} + a^0 b^1 \ip{e_0}{e_1} + \dots + a^3 b^3 \ip{e_3}{e_3}로 16개 항입니다. 앞의 계수는 성분이라 이미 알고 있으니, 필요한 것은 (eμ, eν)\ip{e_\mu}{e_\nu} 16개 값뿐입니다. 듀얼 스페이스의 맵을 기저에 대한 값으로 정했던 것과 똑같은 방식입니다. 그러니 내적을 정의하려면 이 16개 값을 정해 주면 됩니다. 값은 어떤 실수를 골라도 됩니다. 강의에서는 일부러 우스꽝스러운 값으로 (e0, e0)=3\ip{e_0}{e_0} = 3, (e0, e1)=π/2\ip{e_0}{e_1} = \pi/2 같은 숫자를 들었습니다. 표를 이렇게 채우면 어떤 두 벡터를 넣어도 위 전개로 실수가 나오고, 그 순간 V\V는 내적 스페이스가 됩니다. (대칭을 요구하면 (eμ, eν)=(eν, eμ)\ip{e_\mu}{e_\nu} = \ip{e_\nu}{e_\mu}이므로 서로 다른 값은 10개만 정하면 됩니다. 이 설명은 위 성질에서 따라 나오는 셈이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

값이 음수인 항이 하나라도 충분히 크면 (v, v)\ip{v}{v} 전체가 0보다 작아질 수 있습니다. 부정부호 내적을 쓰기로 했으니 그래도 괜찮습니다. 직접 만져 봅시다. 2차원으로 줄였습니다.

Q. 내적은 마음대로 고르는 건가요?
A. 위 성질만 지키면 표의 값은 마음대로 정할 수 있습니다. 그 점에서 임의입니다. 일반 상대성 이론에서 풀려는 문제는 임의로 고르는 것이 아니라, 자연이 실제로 어떤 내적을 골랐는지 알아내는 것입니다.

특수 상대성 이론의 예

특수 상대성 이론에서는 알맞은 좌표계와 기저를 잡으면 값표가 대각선만 남습니다. 대각선 값이 −1,1,1,1-1, 1, 1, 1이고 나머지는 모두 0입니다.

(eμ, eν)=ημν,η00=−1,  η11=η22=η33=1\ip{e_\mu}{e_\nu} = \eta_{\mu\nu}, \qquad \eta_{00} = -1,\ \ \eta_{11} = \eta_{22} = \eta_{33} = 1

η\eta를 민코프스키 메트릭Minkowski metric이라고 부릅니다. 책과 논문에 따라 부호를 반대로 써서 η00\eta_{00}를 +1+1로, 나머지를 −1-1로 두기도 하니, 어느 쪽을 쓰는 글인지 먼저 확인해야 합니다. 이것은 특수 상대성 이론일 때의 이야기이고, 일반 상대성 이론에서는 값표가 훨씬 복잡해집니다.

텐서로 읽기

이 맵은 낯설지 않습니다. 벡터 두 개를 받아 실수를 내놓는 맵은 (0, 2) 텐서 프로덕트 스페이스 V∗⊗V∗\V^* \otimes \V^*에 이미 있습니다. 그 스페이스에는 gμν eμ⊗eνg_{\mu\nu}\, e^\mu \otimes e^\nu 꼴의 텐서가 사는데, 이 텐서도 벡터 두 개를 받아 실수를 내놓습니다. 그렇다면 그 스페이스 안에서 내적을 그대로 흉내 내는 맵을 찾을 수 있지 않을까요? 답은 찾을 수 있다는 것이고, 이 텐서가 메트릭 텐서입니다. 다음 편에서 더 살펴봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 10 of the playlist, Metric spaces. To what we built through the previous post, we now add one new ingredient for the first time.

What we add

Starting from a single 4-dimensional real vector space V\V, we built the dual space, many tensor product spaces and changes of basis. All of that arose from V\V and logic alone, and we have been strict about not adding new ingredients. This post is where we break that promise for the first time.

We look for a function that takes two arbitrary vectors of V\V in two slots and returns one real number. Many functions are possible, and we will pick one we like and put it on top of V\V. A vector space originally had only the vector sum and scalar multiplication as its parts, and now this function joins them as one more part. Mathematicians like to say that a space with extra parts has been promoted.

Properties the function must have

We write the chosen function as (v, w)\ip{v}{w} and require the properties below. First, in either slot a scalar λ∈R\lambda \in \mathbb{R} comes out.

(λv, w)=λ (v, w)=(v, λw)\ip{\lambda v}{w} = \lambda\,\ip{v}{w} = \ip{v}{\lambda w}

Vector sums split too, in both slots.

(u+v, w)=(u, w)+(v, w),(u, v+w)=(u, v)+(u, w)\ip{u + v}{w} = \ip{u}{w} + \ip{v}{w}, \qquad \ip{u}{v + w} = \ip{u}{v} + \ip{u}{w}

Together the two equations say that the function is linear in each slot. And, as general relativity needs, it must be symmetric.

(v, w)=(w, v)\ip{v}{w} = \ip{w}{v}

Seen across all of mathematics, symmetry is not required. Antisymmetric functions do a similar job. We only require symmetry for the purpose of this series.

Properties we do not use

Many books attach the following properties to the definition of an inner product.

(v, v)≥0,(v, v)=0  ⟺  v=0\ip{v}{v} \ge 0, \qquad \ip{v}{v} = 0 \iff v = 0

This property is called positive definite, and many books define the inner product without it. Which one is used depends on where the book is heading, and general relativity does not use this property. An inner product with the property gives a Riemannian metric, and one without it is indefinite. A space with an indefinite inner product is a pseudo-Riemannian space, and general relativity uses this kind.

The function we pick and put on top is called an inner product or a metric, and a vector space that has one is called an inner product space or a metric space. Some books define a metric space as one that is positive definite as well, but this series does not. (This differs from the use of metric space in mathematics for a set with a distance function. This explanation is added to tell the terms apart and was not covered in the lecture.)

Notation

Several notations do the same job. This series uses parentheses with a comma, (v, w)\ip{v}{w}. It overlaps with ordered pairs, but we no longer use ordered pairs, so confusion is unlikely. The bra-ket of quantum mechanics, ⟨v∣w⟩\langle v \vert w \rangle, means the same, but it suits complex vector spaces better, so we do not use it. The dot product of elementary physics, v⋅wv \cdot w, is an inner product too. But with the dot product we have always seen that v⋅vv \cdot v cannot be negative, so positive definiteness comes to mind automatically, and we do not use it.

Q. Can a vector of another vector space W\mathcal{W} be put into the inner product of V\V?
A. It cannot. An inner product takes only two vectors from the space it is attached to. W\mathcal{W} has its own inner product, and both vectors must come from that space.

Q. Is (v, w)\ip{v}{w} the same kind of map as the ⟨β,v⟩\map{\beta}{v} we have used so far?
A. No. ⟨β,v⟩\map{\beta}{v} is a map of the dual space that takes one dual vector and one vector. (v, w)\ip{v}{w} is a special map that takes two vectors, and the shape of the brackets shows the difference.

Defining it through a basis

Having an inner product means knowing the inner products of the basis vectors. Put in two vectors aμeμa^\mu e_\mu and bνeνb^\nu e_\nu, and the constants come out and the sums split, giving this.

(aμeμ, bνeν)=aμbν (eμ, eν)\ip{a^\mu e_\mu}{b^\nu e_\nu} = a^\mu b^\nu\, \ip{e_\mu}{e_\nu}

Expanded, it is 16 terms: a0b0(e0, e0)+a0b1(e0, e1)+⋯+a3b3(e3, e3)a^0 b^0 \ip{e_0}{e_0} + a^0 b^1 \ip{e_0}{e_1} + \dots + a^3 b^3 \ip{e_3}{e_3}. The coefficients in front are components we already know, so all we need are the 16 values (eμ, eν)\ip{e_\mu}{e_\nu}. It is exactly the way we fixed a map of the dual space by its values on the basis. So to define an inner product we only have to give these 16 values. Any real numbers will do. In the lecture the values are deliberately whimsical, such as (e0, e0)=3\ip{e_0}{e_0} = 3 and (e0, e1)=π/2\ip{e_0}{e_1} = \pi/2. Fill in the table this way, and any two vectors we put in give a real number through the expansion above, and at that moment V\V is an inner product space. (If we require symmetry, then (eμ, eν)=(eν, eμ)\ip{e_\mu}{e_\nu} = \ip{e_\nu}{e_\mu}, so only 10 distinct values need to be fixed. This explanation follows from the properties above and was not covered in the lecture.)

If even one negative term is large enough, the whole (v, v)\ip{v}{v} can drop below zero. That is fine, because we decided to use an indefinite inner product. Let us play with it. I reduced it to 2 dimensions.

Q. Do we choose the inner product freely?
A. As long as the properties above hold, the values in the table can be chosen freely. In that sense it is arbitrary. The problem general relativity tries to solve is not choosing one at random but finding out which inner product nature actually picked.

An example from special relativity

In special relativity, with a suitable coordinate system and basis, the table of values keeps only its diagonal. The diagonal values are −1,1,1,1-1, 1, 1, 1 and all the rest are 0.

(eμ, eν)=ημν,η00=−1,  η11=η22=η33=1\ip{e_\mu}{e_\nu} = \eta_{\mu\nu}, \qquad \eta_{00} = -1,\ \ \eta_{11} = \eta_{22} = \eta_{33} = 1

We call η\eta the Minkowski metric. Depending on the book or paper the signs are reversed, with η00\eta_{00} equal to +1+1 and the rest −1-1, so check first which one a text uses. This is the story of special relativity, and in general relativity the table of values becomes much more complicated.

Reading it as a tensor

This map is not unfamiliar. A map that takes two vectors and returns a real number already exists in the (0, 2) tensor product space V∗⊗V∗\V^* \otimes \V^*. Tensors of the form gμν eμ⊗eνg_{\mu\nu}\, e^\mu \otimes e^\nu live in that space, and they also take two vectors and return a real number. Then can we find a map inside that space that imitates the inner product exactly? The answer is yes, and that tensor is the metric tensor. We look at it more in the next post.

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