Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션

Tensor series, part 13: deriving the inner product of the dual space from the metric, then realizing the symbolic basis as partial-derivative operators and placing one vector space at each point of spacetimeTensor 시리즈 13편: 듀얼 스페이스의 내적을 메트릭에서 이끌어 내고, 기호로만 있던 기저를 편미분 연산자로 실현해 시공간의 점마다 벡터 스페이스를 하나씩 놓는다

Tensor series텐서 시리즈Part 13 of 4040편 중 13번째
  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 13강 Realization of a Vector Space에 해당합니다. 지난 편에서 첨자를 올리고 내리는 규칙을 익혔으니, 먼저 그 규칙으로 듀얼 스페이스의 내적을 만들고, 이어서 기호에 불과했던 기저 벡터에 구체적인 대상을 입히는 리얼라이제이션realization을 다룹니다.

듀얼 스페이스의 내적

벡터 스페이스 V\V에 내적을 정하면 메트릭 텐서 gμνg_{\mu\nu}가 따라옵니다. 이 메트릭은 벡터와 코벡터를 하나씩 짝지어 줍니다.

A=Aμeμ  ⟷  Aμeμ,Aμ=gμνAνA = A^\mu e_\mu \;\longleftrightarrow\; A_\mu e^\mu, \qquad A_\mu = g_{\mu\nu} A^\nu

짝이 정해졌으니 코벡터끼리의 내적은 짝이 되는 벡터끼리의 내적으로 정하면 됩니다. 새로 고를 것이 없다는 말입니다. 듀얼 스페이스의 내적을 별표로 구별해 쓰면 기저 코벡터의 내적은 이렇게 나옵니다.

(eμ,eν)∗=gμν(e^\mu, e^\nu)^* = g^{\mu\nu}

여기서 gμνg^{\mu\nu}는 gμνg_{\mu\nu}의 역행렬입니다. (이 유도는 표준 정의를 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 코벡터 αμ\alpha_\mu, βν\beta_\nu에 대응하는 벡터 성분은 gμραρg^{\mu\rho}\alpha_\rho이고, 이 둘의 내적 gμν gμραρ gνσβσg_{\mu\nu}\, g^{\mu\rho}\alpha_\rho\, g^{\nu\sigma}\beta_\sigma을 정리하면 gρσαρβσg^{\rho\sigma}\alpha_\rho\beta_\sigma가 됩니다.)

그러면 이 내적에 해당하는 메트릭 텐서도 있어야 합니다. 코벡터 둘을 받는 맵이므로 V⊗V\V \otimes \V의 원소, 곧 (2, 0)형이고 gμνeμ⊗eνg^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu로 씁니다. 아래 성분이 모두 내려간 gμνeμ⊗eνg_{\mu\nu} e^\mu \otimes e^\nu는 (0, 2)형이라, 세 가지 모양의 메트릭은 서로 다른 스페이스에 삽니다. 섞인 모양 gμνg^\mu{}_\nu는 V⊗V∗\V \otimes \V^*에 사는 항등 맵 δμν\delta^\mu{}_\nu입니다. (이 설명은 첨자를 올린 결과를 계산해 본 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 듀얼 스페이스의 내적은 따로 정의해야 하나요?
A. 따로 정할 필요가 없습니다. 벡터 스페이스를 만들면 듀얼 스페이스와 텐서 프로덕트 스페이스들이 저절로 따라온 것과 같은 방식으로, 내적을 주면 메트릭과 듀얼 스페이스의 내적도 따라옵니다.

기호로만 있던 기저

지금까지 벡터 스페이스는 상자 하나에 넣은 추상 대상이었습니다. 실수 위의 4차원이고, 기저는 e0,e1,e2,e3e_0, e_1, e_2, e_3입니다. 이 eμe_\mu는 활자, 곧 기호일 뿐입니다. 이 기호들의 합과 실수배도 벡터 스페이스의 규칙을 따른다고 우리가 정의했기 때문에 규칙이 지켜졌습니다. 물리의 화살표 같은 구체적인 대상이 저절로 규칙을 만족해서 벡터가 되는 것과는 다른 경로입니다.

리얼라이제이션이란 이 규칙, 곧 덧셈, 실수배, 영벡터와 반대 벡터가 닫힌 채로 성립하는 규칙을 만족하는 실제 수학적 대상을 찾아 기호 대신 쓰는 일입니다. 그 후보로 가장 중요한 것이 미분 연산자입니다.

미분 연산자의 스페이스

미분 가능한 함수 f(x0,x1,x2,x3)f(x^0, x^1, x^2, x^3)를 생각합니다. 각 좌표에 대한 편미분을 ∂μf=∂f/∂xμ\partial_\mu f = \partial f / \partial x^\mu로 씁니다. 분모의 위 첨자가 아래 첨자로 내려오므로 ∂μf aμ\partial_\mu f\, a^\mu처럼 아인슈타인 합 규칙이 그대로 통합니다.

미분은 선형입니다. ∂0f+∂2f=(∂0+∂2)f\partial_0 f + \partial_2 f = (\partial_0 + \partial_2) f이고 실수 a,ba, b에 대해 a ∂0f+b ∂2f=(a ∂0+b ∂2)fa\,\partial_0 f + b\,\partial_2 f = (a\,\partial_0 + b\,\partial_2) f입니다. 그래서 연산자 자체를 더하고 실수배할 수 있고, 일반적인 연산자는 이렇게 씁니다.

L=aμ∂μ=a0∂0+a1∂1+a2∂2+a3∂3L = a^\mu \partial_\mu = a^0 \partial_0 + a^1 \partial_1 + a^2 \partial_2 + a^3 \partial_3

두 연산자의 합은 계수끼리의 합입니다. (a ∂0+b ∂1)+(c ∂0+d ∂1)=(a+c) ∂0+(b+d) ∂1(a\,\partial_0 + b\,\partial_1) + (c\,\partial_0 + d\,\partial_1) = (a+c)\,\partial_0 + (b+d)\,\partial_1이고, 영 연산자와 L+(−L)=0L + (-L) = 0인 반대 연산자도 있습니다. 이 연산자 전체는 벡터 스페이스의 규칙을 모두 지키는 실수 위의 4차원 벡터 스페이스이고, ∂μ\partial_\mu가 기저입니다. 기호였던 eμe_\mu 자리에 ∂μ\partial_\mu를 놓은 것이 리얼라이제이션입니다.

여기서 함수 ff는 중요하지 않습니다. 연산자를 더하고 실수배할 뿐이지 도함수를 구하는 것이 아닙니다. 맵을 하나의 대상으로 모아 다루는 방식을 이미 익혔으니, 함수에 쓰는 도구를 모아 둔 도구 상자가 벡터 스페이스가 된다고 보면 됩니다.

Q. ∂0,…,∂3\partial_0, \dots, \partial_3가 정말 기저인가요? 서로 독립이어야 합니다.
A. 좌표 함수 xνx^\nu에 L=aμ∂μL = a^\mu\partial_\mu를 작용시키면 L xν=aνL\, x^\nu = a^\nu입니다. LL이 영 연산자이면 모든 aνa^\nu가 0이어야 하니 독립입니다. (이 설명은 독립성을 확인해 본 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

점마다 벡터 스페이스 하나

이제 시공간입니다. 시공간의 모든 점에 이름을 붙이는 방법은 좌표 네 개 x0,x1,x2,x3x^0, x^1, x^2, x^3를 주는 것이고, 이것을 줄여 xμx^\mu라고 씁니다. 이 위 첨자는 xx가 벡터 스페이스의 원소라는 뜻이 아닙니다. 벡터라면 기저가 곁에 붙었을 것이므로, 여기서는 좌표가 네 개라는 표시일 뿐입니다. 좌표가 있으면 시공간에서 실수로 가는 함수를 얼마든지 만들 수 있고, 미분할 일도 생깁니다.

여기서 지금까지의 벡터 스페이스에 대한 생각을 바꿉니다. 추상 기저 eμe_\mu를 버리고 ∂μ\partial_\mu로 바꾸되, 벡터 스페이스를 시공간의 모든 점마다 하나씩 놓습니다. 점 P에 놓인 것을 VP\V_P라고 쓰고, 점 Q의 것은 VQ\V_Q입니다. 이 스페이스들은 서로 아무 관계가 없고, 이름만 점의 좌표가 정합니다.

A=Aμ ∂μ∈VP,B=Bμ ∂μ∈VQA = A^\mu\, \partial_\mu \in \V_P, \qquad B = B^\mu\, \partial_\mu \in \V_Q

VP\V_P의 벡터와 VQ\V_Q의 벡터는 더할 수 없습니다. 같은 벡터 스페이스에 사는 벡터끼리만 더할 수 있기 때문입니다. 연산자로 보면 이유가 더 선명한데, ∂μ\partial_\mu는 도함수를 P에서 취한다는 뜻이고 Q에서 취한 도함수와는 다른 연산자입니다. 그래서 점 표시를 붙여 Aμ∂μ∣PA^\mu \partial_\mu|_P처럼 써야 맞습니다. 아래 장난감에서 점 P, Q를 끌고 L2L_2를 놓을 곳을 바꿔 확인해 보세요. 그림은 좌표 두 개짜리 평면입니다.

Q. 성분 AμA^\mu와 BμB^\mu는 그냥 수인데 더하면 안 되나요?
A. 수끼리 더할 수는 있지만 그 결과는 어느 점의 벡터도 아닙니다. 벡터는 성분과 기저를 함께 가진 대상이고, 두 성분이 가진 기저가 서로 다른 점의 연산자라서 더한 결과를 담을 곳이 없습니다.

점마다 따라오는 구조

벡터 스페이스가 있으면 듀얼 스페이스와 무한히 많은 텐서 프로덕트 스페이스가 따라옵니다. 그러니 점이 하나 있을 때마다 이 모두가 그 점에 하나씩 달립니다. 점은 셀 수 없이 많으므로 구조의 양은 상상을 넘습니다. 메트릭이 점마다 있다고 해 두면 이 스페이스들마다 내적도 따라옵니다. 이 내적을 어떻게 묶어서 다룰지가 일반상대성이론의 핵심이고 미분기하학이 하는 일입니다.

한 가지 짚어 둡니다. 방금 본 것은 점마다 벡터 스페이스를 놓은 뼈대입니다. 점마다 벡터를 하나씩 고른다는 이야기는 아직 하지 않았습니다.

다음 편에서는 이 스페이스들을 한꺼번에 다루는 필드field의 개념으로 넘어갑니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 13 of the playlist, Realization of a Vector Space. In the previous post we learned the rules for raising and lowering indices, so I first use those rules to build the inner product of the dual space, and then turn to the realization, which gives concrete objects to the basis vectors that were only symbols.

The inner product of the dual space

Once an inner product is given on the vector space V\V, the metric tensor gμνg_{\mu\nu} follows. The metric pairs each vector with one covector.

A=Aμeμ  ⟷  Aμeμ,Aμ=gμνAνA = A^\mu e_\mu \;\longleftrightarrow\; A_\mu e^\mu, \qquad A_\mu = g_{\mu\nu} A^\nu

With the pairing fixed, the inner product of two covectors can be defined as the inner product of the vectors they are paired with. In other words, there is nothing new to choose. Writing the inner product of the dual space with a star to tell it apart, the inner product of basis covectors comes out like this.

(eμ,eν)∗=gμν(e^\mu, e^\nu)^* = g^{\mu\nu}

Here gμνg^{\mu\nu} is the inverse matrix of gμνg_{\mu\nu}. (This derivation adds the standard definition and was not covered in the lecture. The vector components paired with covectors αμ\alpha_\mu and βν\beta_\nu are gμραρg^{\mu\rho}\alpha_\rho and so on, and simplifying their inner product gμν gμραρ gνσβσg_{\mu\nu}\, g^{\mu\rho}\alpha_\rho\, g^{\nu\sigma}\beta_\sigma gives gρσαρβσg^{\rho\sigma}\alpha_\rho\beta_\sigma.)

Then there must also be a metric tensor for this inner product. It is a map that takes two covectors, so it is an element of V⊗V\V \otimes \V, that is, of type (2, 0), and we write it gμνeμ⊗eνg^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu. The metric gμνeμ⊗eνg_{\mu\nu} e^\mu \otimes e^\nu with lowered components is of type (0, 2), so the three shapes of the metric live in different spaces. The mixed shape gμνg^\mu{}_\nu is the identity map δμν\delta^\mu{}_\nu, which lives in V⊗V∗\V \otimes \V^*. (This explanation comes from working out the result of raising an index and was not covered in the lecture.)

Q. Do we have to define the inner product of the dual space separately?
A. There is no need. In the same way that the dual space and the tensor product spaces came for free when we built the vector space, giving an inner product brings the metric and the inner product of the dual space along with it.

A basis that was only symbols

So far the vector space has been an abstract object put in one box. It is four-dimensional over the real numbers and its basis is e0,e1,e2,e3e_0, e_1, e_2, e_3. These eμe_\mu are only typographical symbols. The rules held for them because we defined their sums and real multiples to follow the vector space rules. This is a different route from a concrete object, such as an arrow in physics, that satisfies the rules by itself and therefore becomes a vector.

A realization means finding real mathematical objects that satisfy these rules, namely addition, real multiples, and the zero and opposite vectors, all closed, and using them in place of the symbols. The most important candidate is the differential operator.

The space of differential operators

Take a differentiable function f(x0,x1,x2,x3)f(x^0, x^1, x^2, x^3). We write the partial derivative with respect to each coordinate as ∂μf=∂f/∂xμ\partial_\mu f = \partial f / \partial x^\mu. The upper index in the denominator comes down as a lower index, so the Einstein summation convention works as it does in ∂μf aμ\partial_\mu f\, a^\mu.

Differentiation is linear. We have ∂0f+∂2f=(∂0+∂2)f\partial_0 f + \partial_2 f = (\partial_0 + \partial_2) f, and for real numbers a,ba, b we have a ∂0f+b ∂2f=(a ∂0+b ∂2)fa\,\partial_0 f + b\,\partial_2 f = (a\,\partial_0 + b\,\partial_2) f. So the operators themselves can be added and multiplied by real numbers, and a general operator is written like this.

L=aμ∂μ=a0∂0+a1∂1+a2∂2+a3∂3L = a^\mu \partial_\mu = a^0 \partial_0 + a^1 \partial_1 + a^2 \partial_2 + a^3 \partial_3

The sum of two operators is the sum of their coefficients. We have (a ∂0+b ∂1)+(c ∂0+d ∂1)=(a+c) ∂0+(b+d) ∂1(a\,\partial_0 + b\,\partial_1) + (c\,\partial_0 + d\,\partial_1) = (a+c)\,\partial_0 + (b+d)\,\partial_1, and there are a zero operator and an opposite operator with L+(−L)=0L + (-L) = 0. The set of all these operators is a four-dimensional vector space over the reals that obeys every rule of a vector space, and ∂μ\partial_\mu is a basis. Putting ∂μ\partial_\mu in the place of the symbols eμe_\mu is the realization.

The function ff is not important here. We only add the operators and multiply them by real numbers, and we are not computing any derivative. Having already learned to handle maps as objects gathered together, we can see a toolbox of tools for functions becoming a vector space.

Q. Are ∂0,…,∂3\partial_0, \dots, \partial_3 really a basis? They must be independent.
A. Apply L=aμ∂μL = a^\mu\partial_\mu to the coordinate function xνx^\nu and we get L xν=aνL\, x^\nu = a^\nu. If LL is the zero operator then every aνa^\nu must be 0, so they are independent. (This explanation checks the independence and was not covered in the lecture.)

One vector space at each point

Now to spacetime. One way to name every point of spacetime is to give four coordinates x0,x1,x2,x3x^0, x^1, x^2, x^3, abbreviated xμx^\mu. This upper index does not mean xx is an element of a vector space. If it were a vector, a basis would sit beside it, so here the index only marks that there are four coordinates. Once we have coordinates we can make as many functions from spacetime to the reals as we like, and there is something to differentiate.

Here we change how we think about the vector space so far. We discard the abstract basis eμe_\mu and replace it with ∂μ\partial_\mu, and we place one vector space at every point of spacetime. The one placed at a point P is written VP\V_P and the one at a point Q is VQ\V_Q. These spaces have no relation to one another, and only their names are decided by the coordinates of the points.

A=Aμ ∂μ∈VP,B=Bμ ∂μ∈VQA = A^\mu\, \partial_\mu \in \V_P, \qquad B = B^\mu\, \partial_\mu \in \V_Q

A vector of VP\V_P and a vector of VQ\V_Q cannot be added, because only vectors living in the same vector space can be added. Seen as operators the reason is clearer: ∂μ\partial_\mu means taking the derivative at P, which is a different operator from the derivative taken at Q. So the correct way is to attach the point, as in Aμ∂μ∣PA^\mu \partial_\mu|_P. In the toy below, drag the points P and Q and change where L2L_2 sits to check this. The picture is a plane with two coordinates.

Q. The components AμA^\mu and BμB^\mu are just numbers. Why can they not be added?
A. The numbers can be added, but the result is not a vector at any point. A vector is an object that carries components together with a basis, and the bases of the two are operators at different points, so there is nowhere to put the sum.

The structure that comes with each point

Once there is a vector space, the dual space and infinitely many tensor product spaces follow. So each point carries all of them. There are uncountably many points, so the amount of structure goes beyond imagination. If we say there is a metric at every point, each of these spaces also gets an inner product. How to bundle these inner products and handle them together is the heart of general relativity, and it is what differential geometry does.

One point to note. What we saw just now is only the skeleton that puts a vector space at each point. We have not yet said anything about choosing one vector at each point.

In the next post we move to the concept of a field, which handles all these spaces at once.

Comments댓글