Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스

Tensor series, part 12: deriving contraction from the universal property of the tensor product, and collecting the index gymnastics used when we write only componentsTensor 시리즈 12편: 텐서 프로덕트의 유니버설 프로퍼티에서 컨트랙션을 이끌어 내고, 성분만 다루는 인덱스 짐내스틱스를 정리

Tensor series텐서 시리즈Part 12 of 4040편 중 12번째
  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 12강 Contraction and Index Gymnastics에 해당합니다. 지난 편에서 만든 메트릭 텐서metric tensor를 이어서 쓰면서, 텐서에서 첨자 두 개를 지우는 컨트랙션contraction과 성분만 가지고 일하는 요령인 인덱스 짐내스틱스index gymnastics를 정리합니다.

맵을 일부만 채우기

텐서 AA가 V\V 셋과 V∗\V^* 둘을 곱한 스페이스의 원소라고 합시다. V\V p개와 V∗\V^* q개를 곱한 스페이스의 원소를 (p, q)형 텐서라고 부르니 AA는 (3, 2)형이고, 성분을 쓰면 이렇습니다.

A=Aαβγμν eα⊗eβ⊗eγ⊗eμ⊗eνA = A^{\alpha\beta\gamma}{}_{\mu\nu}\, e_\alpha \otimes e_\beta \otimes e_\gamma \otimes e^\mu \otimes e^\nu

V\V의 원소는 코벡터를 받아 실수를 내주는 맵으로도 볼 수 있으므로(듀얼의 듀얼입니다), AA는 코벡터 셋과 벡터 둘을 받아 실수 하나를 내주는 맵입니다. 자리를 전부 채우지 않으면 어떻게 될까요? 첫째 코벡터 자리에만 σ\sigma를 넣고 나머지를 비워 두면, 코벡터 둘과 벡터 둘을 기다리는 맵, 곧 (2, 2)형 텐서가 됩니다. 둘째 자리에 넣어도 똑같이 (2, 2)형입니다. 그래서 AA와 σ\sigma만 알려 주면 결과가 하나로 정해지지 않고, 어느 자리를 채웠는지까지 말해야 합니다. 텐서가 가는 곳은 실수만이 아니라 더 작은 텐서 프로덕트 스페이스일 수도 있다는 것이 이 절의 요점입니다.

Q. 벡터 스페이스 사이의 맵은 선형이라고 했는데, 왜 여기서는 다중 선형multilinear이라고 하나요?
A. 자리가 여럿이기 때문입니다. 한 자리만 움직이고 나머지를 모두 고정하면 결과가 그 자리의 입력에 선형으로 따라옵니다. 그 자리의 입력을 aa배 하면 결과도 aa배가 됩니다. 모든 자리가 이렇게 행동하는 맵이 다중 선형 맵이고, 텐서 이론은 이 맵의 이론이라고 해도 됩니다.

유니버설 프로퍼티

V\V 셋과 V∗\V^* 둘의 카테시안 프로덕트에서 어떤 벡터 스페이스 UU로 가는 다중 선형 맵 ZZ가 있다고 합시다. UU는 R\R여도 됩니다. 이때 같은 일을 하는 선형 맵 CC가 텐서 프로덕트 스페이스에서 UU로 가는 것이 하나, 그리고 하나만 있습니다. 이것을 유니버설 프로퍼티universal property라고 합니다. 벡터 viv_i와 코벡터 σ,τ\sigma, \tau에 대해 이렇게 씁니다.

C(v1⊗v2⊗v3⊗σ⊗τ)=Z(v1,v2,v3,σ,τ)C(v_1 \otimes v_2 \otimes v_3 \otimes \sigma \otimes \tau) = Z(v_1, v_2, v_3, \sigma, \tau)

증명은 기저로 합니다. 기저 텐서마다 CC의 값을 ZZ의 값으로 정하면, 예컨대 C(e0⊗e0⊗e1⊗e3⊗e2)=Z(e0,e0,e1,e3,e2)C(e_0 \otimes e_0 \otimes e_1 \otimes e^3 \otimes e^2) = Z(e_0, e_0, e_1, e^3, e^2)로 정하면, 모든 텐서가 기저 텐서의 선형 결합이므로 선형성이 나머지를 정해 줍니다. 정하는 방법이 이것뿐이라서 CC는 유일합니다. 기저 텐서 하나씩만 확인해도 되는 까닭은, 기저 텐서가 벡터들을 텐서 곱으로 이은 단순한 텐서simple tensor이기 때문입니다.

컨트랙션

V\V에서 출발해 이미 갖고 있는 도구는 벡터 스페이스, 듀얼 스페이스, 그리고 둘을 잇는 맵 ⟨σ,v⟩\map{\sigma}{v}뿐입니다. 이것만으로 다중 선형 맵을 하나 만듭니다. 벡터 셋과 코벡터 셋을 받아서 둘째 코벡터를 둘째 벡터에 작용시켜 실수를 얻고, 남은 것을 텐서 곱으로 묶습니다.

Z(v1,v2,v3,σ1,σ2,σ3)=⟨σ2,v2⟩  v1⊗v3⊗σ1⊗σ3Z(v_1, v_2, v_3, \sigma_1, \sigma_2, \sigma_3) = \map{\sigma_2}{v_2}\; v_1 \otimes v_3 \otimes \sigma_1 \otimes \sigma_3

어느 자리로 보나 선형이고 값은 (2, 2)형 텐서 프로덕트 스페이스에 있습니다. 그러면 유니버설 프로퍼티가 (3, 3)형에서 (2, 2)형으로 가는 선형 맵 CC를 보증합니다. 이 CC가 컨트랙션입니다.

컨트랙션이 중요한 까닭은 새로 정한 것이 하나도 없기 때문입니다. V\V를 만들면 듀얼 스페이스와 그 사이의 맵이 저절로 따라왔고, 유니버설 프로퍼티가 그 맵을 텐서 프로덕트 스페이스로 옮겨 줍니다. 선택의 여지가 없는 이런 대상을 캐노니컬canonical하다고 합니다. 벡터 자리와 코벡터 자리를 하나씩 고르는 방법마다 컨트랙션이 있으니 (p, q)형에는 p×qp \times q가지가 있고, 모두 (p-1, q-1)형으로 보냅니다. 여러 쌍을 묶는 일은 한 쌍씩 차례로 하는 것과 같으므로 한 쌍만 보면 됩니다.

Q. 메트릭 텐서 gμνg_{\mu\nu}에 컨트랙션을 할 수 있나요?
A. 바로는 할 수 없습니다. (0, 2)형이라 짝지을 V\V 자리가 없습니다. 컨트랙션은 V\V 자리와 V∗\V^* 자리가 모두 있어야 하니 (0, q)형이나 (p, 0)형은 안 됩니다. 아래에서 볼 첨자 올리기로 한 첨자를 올려 (1, 1)형으로 만들면 가능해집니다.

성분으로 본 컨트랙션

기저 텐서에서 일어나는 일은 간단합니다. 묶을 두 자리의 기저 eβe_\beta와 eδe^\delta만 꺼내 ⟨eδ,eβ⟩=δδβ\map{e^\delta}{e_\beta} = \delta^\delta{}_\beta로 바꾸면 됩니다. 델타가 두 첨자를 같게 만들고 합이 남습니다. (3, 2)형 TT에서 둘째 V\V 자리와 첫째 V∗\V^* 자리를 묶으면 이렇습니다.

C(T)=Tαβγδϵ ⟨eδ,eβ⟩  eα⊗eγ⊗eϵ=Tαβγβϵ eα⊗eγ⊗eϵC(T) = T^{\alpha\beta\gamma}{}_{\delta\epsilon}\, \map{e^\delta}{e_\beta}\; e_\alpha \otimes e_\gamma \otimes e^\epsilon = T^{\alpha\beta\gamma}{}_{\beta\epsilon}\, e_\alpha \otimes e_\gamma \otimes e^\epsilon

계수 Mαγϵ=TαβγβϵM^{\alpha\gamma}{}_{\epsilon} = T^{\alpha\beta\gamma}{}_{\beta\epsilon}는 (2, 1)형 텐서의 성분입니다. 성분의 말로는 위 첨자 하나와 아래 첨자 하나를 같은 문자로 놓고 합하면 두 첨자가 사라진다는 뜻입니다. 계산은 쉬운데 왜 중요한지는 알기 어려운 연산인데, 위에서 본 대로 아무것도 새로 정하지 않았다는 점이 그 까닭입니다.

2차원 (2, 1)형 TαβγT^{\alpha\beta}{}_{\gamma}로 직접 해 봅시다. 위 첨자가 둘이라 묶을 짝을 고르는 방법이 둘이고, 짝마다 남는 첨자와 결과가 다릅니다.

Q. 기저를 바꿔도 컨트랙션의 결과가 맞아떨어지나요?
A. 장난감에서 기저 e0e_0를 2배로 해 보세요. 위 첨자 0의 성분은 1/2배, 아래 첨자 0의 성분은 2배가 되는데, 묶은 짝에서는 이 배수가 서로 지워집니다. 남은 첨자의 몫만 남아 결과는 벡터의 성분이 바뀌는 방식 그대로 바뀝니다. (이 설명은 2차원 예시로 확인한 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

인덱스 짐내스틱스와 첨자 올리고 내리기

지금까지는 Aμνeμ⊗eνA^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu처럼 기저를 달고 다녔습니다. 고전적인 책은 기저를 빼고 성분 AμνA^{\mu\nu} 자체를 텐서라고 부르며 첨자의 위치만 보고 일합니다. 하는 일은 V\V, V∗\V^*, 그 텐서 프로덕트 스페이스들 사이의 이동을 기저 없이 성분만으로 따라가는 것이므로, 기저가 눈앞에 없어도 이동이 맞는지 확인하는 규칙이 됩니다.

가장 유명한 이동은 첨자 내리기와 올리기입니다.

Aμ=gμνAν,Aμ=gμνAνA_\mu = g_{\mu\nu} A^\nu, \qquad A^\mu = g^{\mu\nu} A_\nu

여기서 gμνg^{\mu\nu}는 gμνg_{\mu\nu}의 역행렬입니다. (이 설명은 표준 정의를 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 이 규칙이 어디서 오는지는 기저로 풀면 보입니다. 메트릭 g=gαβ eα⊗eβg = g_{\alpha\beta}\, e^\alpha \otimes e^\beta의 둘째 자리에 벡터 A=AμeμA = A^\mu e_\mu를 넣으면 이렇게 됩니다.

g( ⋅ ,A)=gαβAμ⟨eβ,eμ⟩ eα=gαβAβ eα=Aα eαg(\,\cdot\,, A) = g_{\alpha\beta} A^\mu \map{e^\beta}{e_\mu}\, e^\alpha = g_{\alpha\beta} A^\beta\, e^\alpha = A_\alpha\, e^\alpha

첫째 자리가 비어서 벡터를 기다리는 맵, 곧 코벡터이고, 그 성분이 Aα=gαβAβA_\alpha = g_{\alpha\beta} A^\beta입니다. 메트릭은 대칭이라 gμνAνg_{\mu\nu}A^\nu와 gνμAνg_{\nu\mu}A^\nu는 같은 값이지만, 합하는 첨자를 가까이 붙여 쓰는 것이 읽기 좋습니다. 다르게 보면 gαβAγg_{\alpha\beta} A^\gamma는 첨자 셋의 텐서 하나이고, 여기서 β\beta와 γ\gamma를 같게 놓고 합한 것이니, 첨자 올리고 내리기는 곱한 뒤의 컨트랙션입니다.

곱할 때의 자리 순서

성분끼리의 곱도 기저로 풀면 텐서 곱입니다.

Aμeμ⊗Bνeν=AμBν eμ⊗eν=Tμν eμ⊗eνA^\mu e_\mu \otimes B^\nu e_\nu = A^\mu B^\nu\, e_\mu \otimes e_\nu = T^{\mu\nu}\, e_\mu \otimes e_\nu

기저를 지우고 Tμν=AμBνT^{\mu\nu} = A^\mu B^\nu만 남긴 것이 고전적인 표기입니다. 성분은 실수라서 곱하는 순서가 상관없지만, 텐서의 자리 순서는 상관이 있습니다.

Tμν=AμBν∈V⊗V∗,Sνμ=BνAμ∈V∗⊗VT^{\mu}{}_{\nu} = A^\mu B_\nu \in \V \otimes \V^*, \qquad S_{\nu}{}^{\mu} = B_\nu A^\mu \in \V^* \otimes \V

두 표의 숫자는 같아도 서로 다른 스페이스의 원소입니다. 그래서 첨자를 자리 순서대로 왼쪽부터 쓰고, 위와 아래가 섞이면 어긋나게 써서 자리를 지킵니다.

Q. 성분표의 숫자가 같으면 같은 텐서가 아닌가요?
A. 같은 텐서가 아닙니다. V⊗V∗\V \otimes \V^*의 원소는 첫 자리가 코벡터를 받고 둘째 자리가 벡터를 받는데, V∗⊗V\V^* \otimes \V는 받는 순서가 반대입니다. 숫자를 같은 표로 적어도 어느 자리에 무엇을 넣는지가 달라지므로 다른 맵입니다.

크기와 대칭·반대칭 부분

벡터 AA의 길이의 제곱은 메트릭에 AA를 두 번 먹여서 얻습니다.

g(A,A)=gμνAαAβ⟨eμ,eα⟩⟨eν,eβ⟩=gαβAαAβ=AβAβg(A, A) = g_{\mu\nu} A^\alpha A^\beta \map{e^\mu}{e_\alpha}\map{e^\nu}{e_\beta} = g_{\alpha\beta} A^\alpha A^\beta = A_\beta A^\beta

컨트랙션을 한 번 거쳐 수 하나가 남았습니다. 마지막으로 (0, 2)형 FαβF_{\alpha\beta}를 대칭인 조각과 반대칭인 조각으로 가르는 표기가 있습니다.

F(αβ)=12(Fαβ+Fβα),F[αβ]=12(Fαβ−Fβα),Fαβ=F(αβ)+F[αβ]F_{(\alpha\beta)} = \tfrac{1}{2}\left( F_{\alpha\beta} + F_{\beta\alpha} \right), \quad F_{[\alpha\beta]} = \tfrac{1}{2}\left( F_{\alpha\beta} - F_{\beta\alpha} \right), \quad F_{\alpha\beta} = F_{(\alpha\beta)} + F_{[\alpha\beta]}

이것은 텐서를 대칭으로 만드는 일이 아니라 두 조각으로 갈라내는 일이어서, 한 조각만 들고 있으면 나머지 정보는 버려집니다. 원래 텐서를 되찾으려면 두 조각이 모두 필요합니다. 반대칭 텐서는 뒤에서 따로 다룹니다.

다음 편에서는 지금까지 기호로만 있던 기저 벡터에 구체적인 대상을 입히는 벡터 스페이스의 실현을 다룹니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 12 of the playlist, Contraction and Index Gymnastics. Continuing from the metric tensor of the previous post, I collect contraction, which removes two indices from a tensor, and index gymnastics, the knack of working with components alone.

Filling a map only partway

Say the tensor AA is an element of the space made from three copies of V\V and two copies of V∗\V^*. An element of the space with p copies of V\V and q copies of V∗\V^* is called a tensor of type (p, q), so AA has type (3, 2). In components it is written like this.

A=Aαβγμν eα⊗eβ⊗eγ⊗eμ⊗eνA = A^{\alpha\beta\gamma}{}_{\mu\nu}\, e_\alpha \otimes e_\beta \otimes e_\gamma \otimes e^\mu \otimes e^\nu

An element of V\V can also be seen as a map that takes a covector and returns a real number (this is the double dual), so AA is a map that takes three covectors and two vectors and returns one real number. What happens if we do not fill all the slots? Put σ\sigma in the first covector slot only and leave the rest empty, and we get a map waiting for two covectors and two vectors, that is, a tensor of type (2, 2). Putting it in the second slot also gives type (2, 2). So AA and σ\sigma alone do not fix a single result, and we must also say which slot was filled. The point of this section is that a tensor can go not only to the real numbers but also to a smaller tensor product space.

Q. Maps between vector spaces were called linear. Why do we say multilinear here?
A. Because there are several slots. Move one slot and hold all the others fixed, and the result follows the input of that slot linearly. Multiply that input by aa and the result is multiplied by aa. A map that behaves this way in every slot is a multilinear map, and tensor theory can be called the theory of these maps.

The universal property

Suppose there is a multilinear map ZZ from the Cartesian product of three copies of V\V and two copies of V∗\V^* to some vector space UU. The space UU may be R\R. Then there is exactly one linear map CC from the tensor product space to UU that does the same job. This is called the universal property. For vectors viv_i and covectors σ,τ\sigma, \tau we write it like this.

C(v1⊗v2⊗v3⊗σ⊗τ)=Z(v1,v2,v3,σ,τ)C(v_1 \otimes v_2 \otimes v_3 \otimes \sigma \otimes \tau) = Z(v_1, v_2, v_3, \sigma, \tau)

The proof goes through a basis. Set the value of CC on each basis tensor to the value of ZZ, for example C(e0⊗e0⊗e1⊗e3⊗e2)=Z(e0,e0,e1,e3,e2)C(e_0 \otimes e_0 \otimes e_1 \otimes e^3 \otimes e^2) = Z(e_0, e_0, e_1, e^3, e^2). Every tensor is a linear combination of basis tensors, so linearity fixes the rest. This is the only way to set it, so CC is unique. Checking one basis tensor at a time is enough because a basis tensor is a simple tensor, a chain of vectors joined by tensor products.

Contraction

Starting from V\V, the tools we already have are the vector space, the dual space, and the map ⟨σ,v⟩\map{\sigma}{v} that connects them. With only these we build one multilinear map. It takes three vectors and three covectors, applies the second covector to the second vector to get a real number, and joins the rest with tensor products.

Z(v1,v2,v3,σ1,σ2,σ3)=⟨σ2,v2⟩  v1⊗v3⊗σ1⊗σ3Z(v_1, v_2, v_3, \sigma_1, \sigma_2, \sigma_3) = \map{\sigma_2}{v_2}\; v_1 \otimes v_3 \otimes \sigma_1 \otimes \sigma_3

It is linear in every slot and its values lie in the (2, 2) tensor product space. The universal property then guarantees a linear map CC from the (3, 3) space to the (2, 2) space. This CC is the contraction.

Contraction matters because we decided nothing new for it. Creating V\V brought the dual space and the map between them for free, and the universal property carries that map over to the tensor product spaces. An object that is forced on us like this is called canonical. Each way of choosing one vector slot and one covector slot gives a contraction, so a (p, q) tensor has p×qp \times q of them, and all send it to type (p-1, q-1). Contracting several pairs is the same as doing one pair at a time, so one pair is enough to study.

Q. Can we contract the metric tensor gμνg_{\mu\nu}?
A. Not directly. It has type (0, 2), so there is no V\V slot to pair with. Contraction needs both a V\V slot and a V∗\V^* slot, so types (0, q) and (p, 0) are out. Once we raise one index, as shown below, it becomes type (1, 1) and the contraction becomes possible.

Contraction in components

What happens on basis tensors is simple. Take only the basis elements of the two slots to be paired, eβe_\beta and eδe^\delta, and replace them with ⟨eδ,eβ⟩=δδβ\map{e^\delta}{e_\beta} = \delta^\delta{}_\beta. The delta makes the two indices equal, and a sum remains. For a (3, 2) tensor TT, pairing the second V\V slot with the first V∗\V^* slot goes like this.

C(T)=Tαβγδϵ ⟨eδ,eβ⟩  eα⊗eγ⊗eϵ=Tαβγβϵ eα⊗eγ⊗eϵC(T) = T^{\alpha\beta\gamma}{}_{\delta\epsilon}\, \map{e^\delta}{e_\beta}\; e_\alpha \otimes e_\gamma \otimes e^\epsilon = T^{\alpha\beta\gamma}{}_{\beta\epsilon}\, e_\alpha \otimes e_\gamma \otimes e^\epsilon

The coefficients Mαγϵ=TαβγβϵM^{\alpha\gamma}{}_{\epsilon} = T^{\alpha\beta\gamma}{}_{\beta\epsilon} are the components of a tensor of type (2, 1). In the language of components, writing one upper index and one lower index as the same letter and summing removes both indices. The operation is easy to compute but hard to see the importance of, and the reason is what we saw above: nothing new was decided.

Let us do it by hand with a two-dimensional tensor TαβγT^{\alpha\beta}{}_{\gamma} of type (2, 1). With two upper indices there are two ways to choose the pair, and each pair leaves a different index and a different result.

Q. If we change the basis, does the result of a contraction still fit together?
A. In the toy, double the basis e0e_0. The component with upper index 0 is halved and the component with lower index 0 is doubled, and in the contracted pair these factors cancel. Only the factor of the remaining index is left, so the result changes just as the components of a vector do. (This explanation is based on a 2-dimensional example and was not covered in the lecture.)

Index gymnastics and raising and lowering indices

So far we carried the basis along, as in Aμνeμ⊗eνA^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu. Classical books drop the basis, call the components AμνA^{\mu\nu} themselves the tensor, and work by looking only at where the indices sit. What this does is follow the moves among V\V, V∗\V^* and their tensor product spaces using components alone, so it works as a set of rules for checking that a move is valid even when no basis is in front of us.

The most famous moves are lowering and raising an index.

Aμ=gμνAν,Aμ=gμνAνA_\mu = g_{\mu\nu} A^\nu, \qquad A^\mu = g^{\mu\nu} A_\nu

Here gμνg^{\mu\nu} is the inverse matrix of gμνg_{\mu\nu}. (This explanation adds the standard definition and was not covered in the lecture.) Where the rule comes from shows up when we unfold it in a basis. Put the vector A=AμeμA = A^\mu e_\mu into the second slot of the metric g=gαβ eα⊗eβg = g_{\alpha\beta}\, e^\alpha \otimes e^\beta and we get this.

g( ⋅ ,A)=gαβAμ⟨eβ,eμ⟩ eα=gαβAβ eα=Aα eαg(\,\cdot\,, A) = g_{\alpha\beta} A^\mu \map{e^\beta}{e_\mu}\, e^\alpha = g_{\alpha\beta} A^\beta\, e^\alpha = A_\alpha\, e^\alpha

The first slot is empty and waiting for a vector, so this is a covector, and its components are Aα=gαβAβA_\alpha = g_{\alpha\beta} A^\beta. The metric is symmetric, so gμνAνg_{\mu\nu}A^\nu and gνμAνg_{\nu\mu}A^\nu have the same value, but it reads better to write the summed indices next to each other. Seen another way, gαβAγg_{\alpha\beta} A^\gamma is one tensor with three indices, and setting β\beta equal to γ\gamma and summing is a contraction, so raising and lowering an index is a product followed by a contraction.

Slot order when multiplying

A product of components is also a tensor product once we unfold the basis.

Aμeμ⊗Bνeν=AμBν eμ⊗eν=Tμν eμ⊗eνA^\mu e_\mu \otimes B^\nu e_\nu = A^\mu B^\nu\, e_\mu \otimes e_\nu = T^{\mu\nu}\, e_\mu \otimes e_\nu

Erasing the basis and keeping only Tμν=AμBνT^{\mu\nu} = A^\mu B^\nu is the classical notation. Components are real numbers, so the order of the factors does not matter, but the order of the slots in a tensor does.

Tμν=AμBν∈V⊗V∗,Sνμ=BνAμ∈V∗⊗VT^{\mu}{}_{\nu} = A^\mu B_\nu \in \V \otimes \V^*, \qquad S_{\nu}{}^{\mu} = B_\nu A^\mu \in \V^* \otimes \V

The numbers in the two tables are the same, yet they are elements of different spaces. So we write the indices left to right in slot order, and when upper and lower indices mix we stagger them to keep the slots straight.

Q. If the numbers in the component table are the same, is it not the same tensor?
A. It is not the same tensor. In an element of V⊗V∗\V \otimes \V^* the first slot takes a covector and the second takes a vector, and in V∗⊗V\V^* \otimes \V the order is reversed. Even if we write the same table of numbers, what goes into which slot changes, so they are different maps.

Magnitude, and the symmetric and antisymmetric parts

The squared length of a vector AA comes from feeding AA to the metric twice.

g(A,A)=gμνAαAβ⟨eμ,eα⟩⟨eν,eβ⟩=gαβAαAβ=AβAβg(A, A) = g_{\mu\nu} A^\alpha A^\beta \map{e^\mu}{e_\alpha}\map{e^\nu}{e_\beta} = g_{\alpha\beta} A^\alpha A^\beta = A_\beta A^\beta

After one contraction a single number remains. Finally, there is a notation that splits a tensor FαβF_{\alpha\beta} of type (0, 2) into a symmetric piece and an antisymmetric piece.

F(αβ)=12(Fαβ+Fβα),F[αβ]=12(Fαβ−Fβα),Fαβ=F(αβ)+F[αβ]F_{(\alpha\beta)} = \tfrac{1}{2}\left( F_{\alpha\beta} + F_{\beta\alpha} \right), \quad F_{[\alpha\beta]} = \tfrac{1}{2}\left( F_{\alpha\beta} - F_{\beta\alpha} \right), \quad F_{\alpha\beta} = F_{(\alpha\beta)} + F_{[\alpha\beta]}

This does not make a tensor symmetric. It splits the tensor into two pieces, so holding only one piece throws away the information in the other. We need both pieces to recover the original tensor. Antisymmetric tensors get their own treatment later.

In the next post we turn to the realization of a vector space, which gives the basis vectors we have so far written only as symbols a concrete identity.

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