Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
Tensor series, part 15: naming the vector space and its dual the tangent and cotangent spaces, and sorting out the two ways to change a basis, frame fields and coordinate transformations, through the JacobianTensor 시리즈 15편: 벡터 스페이스에 탄젠트 스페이스와 코탄젠트 스페이스라는 이름을 붙이고, 기저를 바꾸는 두 길인 프레임 장과 좌표 변환을 자코비안으로 정리한다
Tensor series텐서 시리즈Part 15 of 4040편 중 15번째
- 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 15강 Coordinate Transformations에 해당합니다. 지난 편에서 점마다 놓인 벡터 스페이스의 기저를 좌표로 한꺼번에 정했으니, 이번에는 그 기저를 바꾸는 두 가지 길을 정리합니다.
이름만 바뀝니다
시공간의 점은 좌표 로 이름이 붙습니다. 점 P의 벡터 스페이스는 이제 탄젠트 스페이스, 듀얼 스페이스는 코탄젠트 스페이스이라고 부릅니다. 구조는 그대로이고 이름만 바뀝니다. 코탄젠트 스페이스의 원소는 벡터를 받아 실수를 내주는 맵이고, 이것을 원폼이라고 합니다. 투폼 이상도 원폼으로 만들 수 있지만 방법은 한참 뒤에 다룹니다. 점마다 탄젠트 스페이스, 코탄젠트 스페이스, 텐서 프로덕트 스페이스가 모두 따로 있다는 사실도 그대로입니다.
왜 접이라고 부르는가
탄젠트 스페이스의 벡터는 미분 연산자 입니다. 시공간 위의 함수 에 이 연산자를 작용시키면 점 P에서 f가 방향 로 변하는 비율, 곧 방향 미분이 나옵니다. 방향 미분은 접선이 하는 일이니 탄젠트 스페이스라는 이름이 어울립니다.
이름만 바꾼 것처럼 보여도 내용이 있습니다. 이고 이면 다음과 같습니다.
같은 식이어도 점 P에서는 P의 좌표를 넣은 수가 나오고 점 Q에서는 Q의 좌표를 넣은 다른 수가 나옵니다. 기호만 바꾼 것이 아니라 점마다 다른 결과를 내는 대상이라는 뜻입니다. 이 모든 것은 좌표계가 먼저 있어야 성립합니다. 직교 좌표든 원통 좌표든 상관없지만 좌표를 놓아야 함수를 생각하고 기저를 정할 수 있습니다.
첫째 길: 프레임 장
탄젠트 스페이스도 벡터 스페이스이니 독립인 연산자 네 개를 아무거나 골라 기저로 삼을 수 있습니다.
는 예전에 본 기저 변환 행렬입니다. 달라진 점은 탄젠트 스페이스가 점마다 따로 있어서 한 탄젠트 스페이스에서 한 변환이 다른 탄젠트 스페이스에는 아무 영향도 주지 않는다는 것입니다. 모든 점에 변환을 주려면 의 성분이 시공간의 함수여야 합니다. 이렇게 점마다 기저를 고르는 것을 프레임 장이라고 하고, 중급 일반상대성이론의 주제입니다. 코탄젠트 스페이스의 기저는 늘 하던 대로 역행렬로 바뀝니다.
둘째 길: 좌표 변환
기저가 바뀌는 다른 길은 시공간의 좌표계를 바꾸는 것입니다. 좌표 변환은 함수 묶음입니다.
옛 좌표를 알면 새 좌표를 내주는 함수 네 개와 그 역함수 네 개입니다. 직교 좌표에서 구면 좌표로 가는 변환이 그 예입니다. 바뀌는 것은 점 P를 부르는 이름뿐이고 점과 탄젠트 스페이스는 그대로입니다. 그래서 시공간 위의 함수도 같은 점에서는 같은 수를 내야 합니다.
f는 새 좌표의 다른 함수 가 되지만 점 P에서의 값은 같아야 합니다. P는 자기를 x로 부르든 x’로 부르든 상관하지 않기 때문입니다. 이 요구가 일반상대성이론의 가장 깊은 바탕 가운데 하나입니다.
Q. 좌표를 바꾸면 탄젠트 스페이스도 바뀌나요?
A. 탄젠트 스페이스는 그대로입니다. 점의 이름만 바뀌었습니다. 다만 기저를 좌표에 기대어 정했으니 기저로 쓰는 연산자가 에서 로 달라집니다. 같은 스페이스를 다른 기저로 읽는 것입니다.
자코비안
새 기저 를 임의의 함수에 작용시키고 연쇄 법칙을 씁니다. 이고, 함수 f는 빼도 됩니다. 미분 연산자는 다른 미분 연산자와 같을 수 있기 때문입니다.
첫째 길의 가 여기서는 마음대로 고른 행렬이 아니라 좌표 변환 함수의 편미분으로 정해집니다. 성분이 좌표의 함수이니 점마다 다른 행렬이기도 합니다. 이 행렬을 자코비안이라고 합니다. (자코비안이라는 이름은 이해를 돕기 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
아래 장난감에서 변환을 고르고 점 P를 끌어 보세요. 옛 격자 위에 새 좌표 곡선이 그려지고, 새 기저 이 P에서 어떻게 놓이는지 보입니다. 벡터 A는 그대로이고 기저만 달라지며, 성분이 반대로 변해서 같은 화살표가 다시 만들어집니다.
듀얼 기저는 역행렬
원폼 기저는 늘 하던 대로 역행렬로 바뀝니다.
두 행렬은 연쇄 법칙에서 서로 역행렬입니다.
그래서 가 새 기저에서도 유지됩니다. 듀얼 기저의 약속이 깨지지 않으려면 이렇게 짝이 맞아야 합니다.
기저 벡터가 바뀌는 방식 그대로 바뀌는 것을 공변, 역행렬로 바뀌는 것을 반변이라고 정의합니다. 탄젠트 스페이스의 기저 는 정의상 공변이고 원폼 기저 는 반변입니다. 벡터 는 좌표와 상관없는 대상이니 기저가 한쪽으로 바뀌면 성분은 반대쪽으로 바뀌어야 합니다.
Q. 프레임 장으로 고른 기저와 좌표 변환으로 얻은 기저는 같은가요?
A. 좌표 변환은 를 편미분으로 정해 주니 프레임 장의 특수한 경우입니다. 반대로 모든 프레임 장이 어떤 좌표에서 나오지는 않습니다. 예를 들어 극좌표에서 길이를 1로 맞춘 기저 는 어떤 좌표의 편미분 기저도 아닙니다. (이 설명은 이해를 돕기 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 벡터는 공변이어야 하는데 왜 벡터 성분을 반변이라고 하나요?
A. 공변과 반변은 기저와 성분이 변하는 방식에 붙은 이름입니다. 기저 벡터가 공변이고 그 성분은 반변입니다. 벡터 전체는 둘이 합쳐져 변하지 않는 대상입니다. 원폼은 반대로 기저가 반변이고 성분이 공변입니다. 성분 쪽에 이름이 쏠려 불리는 것이 헷갈림의 원인입니다. (이 설명은 강의 끝부분의 어수선한 설명을 표준 정의로 정리한 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
형식을 건너뛰는 곳
엄밀하게는 시공간이 다양체이고, 점마다의 탄젠트 스페이스를 전부 모은 것이 탄젠트 번들입니다. 벡터장은 각 탄젠트 스페이스에서 벡터를 하나씩 뽑은 것이고 이것을 탄젠트 번들의 섹션이라고 합니다. 이 시리즈는 이 형식을 깊이 다루지 않고 좌표를 놓은 데서 출발합니다. 이 글에서 탄젠트 스페이스나 벡터장이라고 말하면 모든 점의 탄젠트 스페이스를 한꺼번에 가리키는 경우가 많습니다.
교재가 시작하는 곳
많은 일반상대성이론 교재는 1장에서 바로 위의 성분 변환식을 적고, 이렇게 변하면 반변 벡터, 저렇게 변하면 공변 벡터라고 정의합니다. 이유를 모르면 억지로 정한 규칙으로 보입니다. 이제는 이유가 보입니다. 그 식은 벡터의 성분이 따르는 규칙이고, 기저는 숨어 있으며, 인덱스 짐내스틱스가 그 숨은 기저를 대신 관리해 줍니다.
좌표를 바꾸는 일은 일반상대성이론에서 옷을 갈아입는 것과 같습니다. 자유롭게 바꿀 수 있고 물리 법칙은 어떤 좌표에서도 같아야 합니다. 이 제약이 일반 공변성이고 자연 법칙의 꼴을 강하게 묶습니다. 남은 문제는 탄젠트 스페이스들이 서로 떨어진 별개의 스페이스라서 다른 점의 벡터를 비교할 수 없다는 것입니다. 이것은 뒤의 편에서 해결합니다. 다음 편에서는 이 구조 위에 메트릭 텐서를 얹습니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 15 of the playlist, Coordinate Transformations. In the previous post we fixed the bases of the vector spaces at all points at once from the coordinates, so this time I sort out the two ways to change that basis.
Only the names change
Points of spacetime are named by coordinates . The vector space at a point P is now called the tangent space, and the dual space is called the cotangent space. The structure stays the same and only the names change. An element of the cotangent space is a map that takes a vector and returns a real number, and it is called a one-form. Two-forms and higher can be built from one-forms too, but the method comes much later. It also stays true that every point has its own tangent space, cotangent space, and tensor product spaces.
Why call it tangent
A vector in the tangent space is a differential operator . Apply this operator to a function on spacetime and we get the rate at which f changes at the point P in the direction , which is the directional derivative. A directional derivative does what a tangent line does, so the name tangent space fits.
It may look like a mere renaming, but there is content in it. If and , we get the following.
Even with the same formula, at a point P we get the number with P’s coordinates put in, and at a point Q we get a different number with Q’s coordinates put in. So it is not a swap of symbols. It is an object that gives a different result at each point. All of this holds only because a coordinate system exists first. Cartesian or cylindrical does not matter, but we have to lay down coordinates before we can think about functions and fix bases.
The first way: frame fields
The tangent space is also a vector space, so we may choose any four independent operators as a basis.
is the basis change matrix we saw earlier. What is new is that the tangent spaces are separate at each point, so a transformation made in one tangent space has no effect on any other. To give a transformation at every point, the components of must be functions of spacetime. Choosing a basis point by point like this is called a frame field, and it is a topic of intermediate general relativity. The basis of the cotangent space changes by the inverse matrix, as always.
The second way: coordinate transformations
The other way a basis changes is to change the coordinate system of spacetime. A coordinate transformation is a bundle of functions.
There are four functions that give the new coordinates from the old ones, and four inverse functions. Going from Cartesian to spherical coordinates is an example. All that changes is the name by which we call the point P, and the point and its tangent space stay as they are. So a function on spacetime must also give the same number at the same point.
The function f becomes a different function of the new coordinates, but its value at the point P must be the same. P does not care whether it calls itself x or x’. This requirement is one of the deepest foundations of general relativity.
Q. Does the tangent space change when the coordinates change?
A. The tangent space stays as it is. Only the name of the point has changed. Since we fixed the basis by leaning on the coordinates, the operators used as the basis change from to . It is the same space read with a different basis.
The Jacobian
Apply the new basis to an arbitrary function and use the chain rule. We get , and the function f can be dropped, because a differential operator can equal another differential operator.
The of the first way is here not a matrix we choose freely but is fixed by the partial derivatives of the coordinate transformation functions. Since its components are functions of the coordinates, it is also a different matrix at each point. This matrix is called the Jacobian. (The name Jacobian is added to help understanding, and it was not covered in the lecture.)
In the toy below, pick a transformation and drag the point P. The new coordinate curves are drawn over the old grid, and you can see how the new basis sits at P. The vector A stays the same and only the basis changes, and the components change the opposite way so that the same arrow is built again.
The dual basis is the inverse matrix
The one-form basis changes by the inverse matrix, as always.
By the chain rule the two matrices are inverses of each other.
So keeps holding in the new basis. For the promise of the dual basis not to break, the two have to match up like this.
Whatever changes the way the basis vectors change is defined as covariant, and whatever changes by the inverse matrix is defined as contravariant. The basis of the tangent space is covariant by definition, and the one-form basis is contravariant. The vector is an object independent of coordinates, so when the basis changes one way, the components must change the other way.
Q. Is a basis chosen as a frame field the same as one obtained from a coordinate transformation?
A. A coordinate transformation fixes by partial derivatives, so it is a special case of a frame field. Conversely, not every frame field comes from some coordinates. For example, the basis with lengths set to 1 in polar coordinates is not the partial-derivative basis of any coordinates. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.)
Q. A vector should be covariant, so why are the components of a vector called contravariant?
A. Covariant and contravariant are names attached to how the basis and the components change. The basis vectors are covariant and their components are contravariant. The vector as a whole is the object that does not change when the two are put together. For a one-form it is the other way round, with a contravariant basis and covariant components. The names leaning toward the components is the cause of the confusion. (This explanation tidies the muddled remarks near the end of the lecture into the standard definition and was not covered in the lecture.)
Where the formalism is skipped
Strictly speaking, spacetime is a manifold, and the collection of all the tangent spaces at all points is the tangent bundle. A vector field picks one vector from each tangent space, and this is called a section of the tangent bundle. This series does not go deep into this formalism and starts from laying down coordinates. When this post says tangent space or vector field, it often means the tangent spaces at all points at once.
Where textbooks begin
Many general relativity textbooks write the component transformation formulas above right in chapter one, and define that whatever changes this way is a contravariant vector and whatever changes that way is a covariant vector. Without knowing the reason, it looks like a rule set by force. Now the reason is visible. That formula is the rule that the components of a vector obey, the basis is hidden, and index gymnastics manages that hidden basis for us.
Changing coordinates is like changing clothes in general relativity. We can change them freely, and the laws of physics must be the same in any coordinates. This constraint is general covariance, and it tightly binds the form of the laws of nature. The remaining problem is that the tangent spaces are separate spaces apart from each other, so we cannot compare vectors at different points. This is solved in a later post. In the next post we put the metric tensor on top of this structure.
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