Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
Tensor series, part 11: finding the (0, 2) tensor that imitates the inner product exactly, calling it the metric tensor, and using it to lower the index of a vector and get a covectorTensor 시리즈 11편: 내적을 그대로 흉내 내는 (0, 2) 텐서를 찾아 메트릭 텐서라 부르고, 이것으로 벡터의 첨자를 내려 코벡터를 얻는 과정
Tensor series텐서 시리즈Part 11 of 4040편 중 11번째
- Tensor #1. Elementary Vector Space텐서 #1. 기초적인 벡터 스페이스
- Tensor #2. Einstein Notation and Maps텐서 #2. 아인슈타인 표기법과 맵
- Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스
- Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트
- Tensor #5. Tensor Products텐서 #5. 텐서 프로덕트
- Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
- Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크
- Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환
- Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환
- Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스
- Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
- Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스
- Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션
- Tensor #14. Vector and Tensor Fields텐서 #14. 벡터장과 텐서장
- Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
- Tensor #16. The Metric Tensor Field텐서 #16. 메트릭 텐서장
- Tensor #17. The Covariant Derivative (Elementary Pedagogy)텐서 #17. 공변 미분 (초보적인 방법)
- Tensor #18. The Covariant Derivative, Continued텐서 #18. 공변미분 이어서
- Tensor #19. Algebraic Structures I텐서 #19. 대수 구조 I
- Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지
- Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분
- Tensor #22. Invitation to p-forms텐서 #22. p-형식으로의 초대
- Tensor #23. Operations on p-forms: The Exterior Algebra텐서 #23. p-형식의 연산과 외대수
- Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
- Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습
- Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습
- Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1
- Tensor #28. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 2텐서 #28. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 2
- Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
- Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
- Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
- Tensor #32. Tensor Density Examples텐서 #32. 텐서 밀도의 예
- Tensor #33. Duality and the Hodge Dual (Part 1)텐서 #33. 쌍대성과 호지 쌍대 (1부)
- Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
- Tensor #35. Other Notions of Duality텐서 #35. 또 다른 쌍대
- Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
- Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집
- Tensor #38. All Possible Operations텐서 #38. 가능한 모든 연산
- Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
- 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 11강 The metric tensor에 해당합니다. 지난 편에서 벡터 스페이스에 내적을 얹었는데, 이번에는 그 내적이 텐서 프로덕트 스페이스 안에 이미 들어 있는 맵 하나와 똑같다는 것을 보입니다.
두 갈래의 맵
4차원 실수 벡터 스페이스 와 그 듀얼 스페이스 가 있고, 기저 와 듀얼 기저 는 로 이어져 있습니다. 에는 내적 를 얹었고, 이 내적은 기저끼리의 값 16개를 정하면 모두 정해집니다.
한편 (0, 2) 텐서 프로덕트 스페이스 에는 꼴의 원소가 삽니다. 이 원소도 벡터 두 개를 받아 실수를 내놓는 맵이고, 성분은 마찬가지로 16개입니다. 벡터 두 개를 받아 실수를 내놓는 길이 이렇게 둘이 되었습니다. 하나는 에 얹은 내적이고, 하나는 이 스페이스에서 성분을 골라 얻는 텐서입니다.
성분을 같게 고르기
그렇다면 후자에서 내적과 똑같이 움직이는 것을 고를 수 있을까요? 성분을 내적의 기저 값과 같게 두면 됩니다.
벡터 와 를 내적에 넣으면 지난 편대로 입니다. 이제 텐서 에 같은 두 벡터를 넣어 봅니다. 맵은 선형이라서 상수가 모두 밖으로 나옵니다.
두 값이 정확히 같습니다. 기저 값을 성분으로 삼은 이 텐서는 어떤 벡터 쌍을 넣어도 내적과 같은 실수를 냅니다. 우리는 내적 하나를 얹었을 뿐인데, 그 일을 그대로 흉내 내는 텐서가 안에 이미 있었던 셈입니다.
메트릭 텐서
이 텐서를 메트릭 텐서라고 부릅니다. 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 기초에서 가장 중요한 대상입니다. 지난 편에서 말한 대로 내적이 무언가를 재는 도구라서 메트릭이라는 이름이 붙었습니다. 벡터 두 개를 넣으면 둘을 견주는 실수가 나오고, 같은 벡터를 두 번 넣으면 그 벡터의 크기를 제곱한 값에 해당하는 실수가 나옵니다.
이 텐서는 모든 원소를 똑같이 대한다던 약속을 조금 깹니다. 이 스페이스에는 맵이 무수히 많은데, 그중 하나가 특별한 지위를 얻기 때문입니다. 다만 얻는 방향은 어느 쪽이어도 됩니다. 먼저 내적을 얹고 그것을 흉내 내는 텐서를 찾아도 되고, 반대로 이 스페이스에서 마음에 드는 맵 하나를 메트릭 텐서로 뽑아 두고 그것과 똑같이 움직이는 내적을 정해도 됩니다. 한쪽을 고르면 다른 쪽이 곧바로 따라오므로 둘은 완전히 같은 것입니다. 그래서 를 내적 스페이스라고 불러도, 메트릭을 가진 벡터 스페이스라고 불러도 뜻이 같습니다. (내적이 대칭이므로 입니다. 이 설명은 내적이 대칭이라는 요구에서 따라 나오는 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 메트릭 텐서는 듀얼 스페이스에 사는 것 아닌가요? 내적은 듀얼 스페이스에 없다고 했는데요.
A. 내적은 쪽에 얹은 것이라서 듀얼 벡터끼리는 비교할 수 없습니다. 메트릭 텐서는 의 원소이고 이 스페이스는 듀얼 스페이스에서 만들어집니다. 그래서 내적만으로는 비교할 수 없던 듀얼 쪽 일도 이 텐서를 거치면 다룰 길이 열립니다.
벡터와 코벡터를 잇기
여기서 강의는 한 걸음 물러서서 짚습니다. 우리는 만 만들었는데 듀얼 스페이스는 논리만으로 저절로 생겼습니다. 그런데 의 벡터 하나를 의 코벡터 하나와 이어 주는 자연스러운 규칙은 없었습니다. 기저끼리 와 가 짝처럼 보이는 것도 델타 함수가 나오게 일부러 정한 규칙일 뿐입니다. 벡터의 성분을 그대로 가져다 코벡터를 만들 수는 있어도, 그것은 숫자가 같은 코벡터가 있다는 말일 뿐 둘이 어떤 식으로 얽혀 있다는 뜻이 아닙니다.
메트릭 텐서가 생기면 이 사정이 바뀝니다. 벡터 하나를 주면 그에 딸린 코벡터가 메트릭 텐서에서 곧바로 나오기 때문입니다.
한 자리만 채우기
벡터 를 메트릭 텐서의 첫째 자리에만 넣고 둘째 자리는 비워 둡니다. 이 맵은 벡터 두 개를 기다리는데 하나만 받았으니 실수는 못 내놓고, 아직 벡터를 기다리는 무언가가 남습니다.
첫째 자리는 델타 함수에 의해 가 로 바뀌며 사라졌고, 둘째 자리는 로 남았습니다. 남은 는 벡터를 하나 받으면 실수를 내놓는 코벡터의 기저입니다. 그러니 이것은 의 원소이고, 성분은 입니다. 위 첨자 가 의 아래 첨자와 축약되어 사라졌으므로 자유 첨자는 하나뿐입니다. 이 일이 너무 자주 일어나니, 축약으로 사라진 첨자를 아예 이름에서 빼기로 약속합니다.
아래 첨자 가 달린 는 “위 첨자 를 메트릭 텐서와 축약해 얻은 것”이라는 약속입니다. 이 과정을 첨자 내리기라고 하고, 메트릭 텐서가 없으면 할 수 없는 일입니다. 위 첨자 성분 를 반변 성분, 아래 첨자 성분 를 공변 성분이라고 부르는 것도 이제 따라옵니다. 이름은 둘이지만 하나의 벡터에서 나왔고, 기저에 따라 바뀌는 방식이 다른 성분이라는 점은 이미 앞에서 설명한 대로입니다. 다만 는 어디까지나 에 사는 코벡터이고, 는 의 벡터입니다. 이름이 비슷해도 사는 스페이스가 다르고, 둘을 이어 준 것이 메트릭 텐서입니다.
(대칭이라서 이고 어느 자리에 먼저 넣어도 같은 코벡터가 나옵니다. 이 설명은 메트릭 텐서의 대칭에서 따라 나오는 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 내려 쓴 에 벡터 를 넣으면 무엇이 나오나요?
A. 남은 자리에 벡터를 넣은 것이니 실수가 나오고, 그 값은 처음부터 두 자리를 다 채운 와 같습니다. 곧 입니다.
직접 내려 보기
2차원으로 줄여서 내려 봅니다. 민코프스키 메트릭을 고르면 같은 벡터에서 나온 와 의 숫자가 달라집니다. 시간 성분의 부호가 뒤집힙니다. (이 설명은 예를 들어 보려고 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 반대로 가 단위 행렬이면 숫자는 같지만, 그때도 두 개는 서로 다른 스페이스의 원소입니다.
Q. 내려 쓴 코벡터에서 처음 벡터로 되돌아올 수 있나요?
A. 메트릭 텐서의 행렬식이 0이 아니면 됩니다. 그때는 의 역행렬을 곱해 를 되찾습니다. 되돌리는 과정은 이 편에서 다루지 않습니다. (이 설명은 장난감에서 확인할 수 있는 사실이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
높은 차수로
이 과정은 벡터에서 멈추지 않습니다. 성분이 여러 개의 위 첨자를 가진 높은 차수의 텐서에도 같은 방식으로 첨자를 하나씩 내릴 수 있습니다. 다음 편에서는 그 예를 짧게 살펴봅니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 11 of the playlist, The metric tensor. In the previous post we put an inner product on a vector space, and this time we show that this inner product is exactly the same as one map that already lives in a tensor product space.
Two kinds of maps
We have a 4-dimensional real vector space and its dual space , with a basis and a dual basis tied together by . On we put an inner product , and it is fully fixed once we give 16 values on pairs of basis vectors.
Meanwhile the (0, 2) tensor product space has elements of the form . Such an element is also a map that takes two vectors and returns a real number, and it likewise has 16 components. So there are now two ways to take two vectors and return a real number. One is the inner product put on , and the other is a tensor we get by choosing components in this space.
Choosing equal components
Can we choose, from the latter, something that behaves exactly like the inner product? We only need to set the components equal to the basis values of the inner product.
Put the vectors and into the inner product and, as in the last post, we get . Now put the same two vectors into the tensor . The map is linear, so all the constants come out.
The two values are exactly equal. This tensor, with the basis values as its components, gives the same real number as the inner product for any pair of vectors. We only added one inner product, yet a tensor that imitates its job exactly was already sitting inside .
The metric tensor
We call this tensor the metric tensor. It is the most important object in the basics of special and general relativity. As said in the last post, the inner product is a tool for measuring something, which is how the name metric arose. Put in two vectors and you get a real number comparing them, and put in the same vector twice and you get a real number corresponding to the squared size of that vector.
This tensor slightly breaks the promise to treat every element equally. The space has endless maps, and one of them gains a special status. But the direction of the gain can go either way. We can first put on an inner product and look for the tensor that imitates it, or conversely pull one map we like out of this space as the metric tensor and then fix an inner product that behaves exactly like it. Choosing one side makes the other follow immediately, so the two are completely the same. That is why calling an inner product space and calling it a vector space with a metric mean the same thing. (Since the inner product is symmetric, . This explanation follows from the requirement that the inner product be symmetric and was not covered in the lecture.)
Q. Doesn’t the metric tensor live in the dual space? You said the inner product is not there.
A. The inner product is put on the side, so dual vectors cannot be compared with it. The metric tensor is an element of , a space built from the dual space. So what the inner product could not do opens up through this tensor.
Connecting vectors and covectors
Here the lecture steps back to point something out. We built only , and the dual space arose from logic alone. But there was no natural rule tying one vector of to one covector of . That the basis vectors and look paired is only a rule we chose on purpose so that a delta function would appear. We can take the components of a vector as they are and build a covector, but that only says a covector with the same numbers exists, not that the two are related in any way.
With the metric tensor this changes. Give it a vector, and the covector that goes with it comes straight out of the metric tensor.
Filling only one slot
Put the vector only into the first slot of the metric tensor and leave the second slot empty. This map waits for two vectors and received only one, so it cannot return a real number, and something that still waits for a vector remains.
The first slot disappeared as the delta function turned into , and the second slot remained as . The remaining is a basis of covectors, which return a real number when given one vector. So this is an element of with components . The upper index was contracted with the lower index of and vanished, so only the free index is left. This happens so often that we agree to drop the contracted index from the name altogether.
The agreement is that an with a lower index is “what we get by contracting the upper-index with the metric tensor”. This process is called lowering an index, and it cannot be done without the metric tensor. Calling the upper-index components contravariant components and the lower-index components covariant components now follows as well. There are two names, but both come from one vector, and as explained before they are components that change differently under a change of basis. Still, is a covector living in and is a vector of . The names are similar, but they live in different spaces, and the metric tensor is what connects them.
(Because of symmetry, , and whichever slot we fill first gives the same covector. This explanation follows from the symmetry of the metric tensor and was not covered in the lecture.)
Q. What comes out if I put the vector into the lowered ?
A. We filled the remaining slot with a vector, so a real number comes out, and it equals , where both slots were filled from the start. That is .
Lowering one yourself
Let us lower one in 2 dimensions. If you pick the Minkowski metric, and , which come from the same vector, have different numbers. The sign of the time component flips. (This explanation is added to give an example and was not covered in the lecture.) Conversely, if is the identity the numbers are equal, but even then the two are elements of different spaces.
Q. Can we get back from the lowered covector to the original vector?
A. We can if the determinant of the metric tensor is not 0. Then we multiply by the inverse of to recover . This post does not cover the way back. (This explanation is a fact you can check in the toy and was not covered in the lecture.)
To higher orders
This process does not stop at vectors. For higher-order tensors whose components have several upper indices, we can lower the indices one at a time in the same way. In the next post we look at an example briefly.
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