Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분

Tensor series, part 21: starting from the fact that curves and vector fields make each other, the Lie derivative that drags a vector field along the flow of a reference vector field to compare it, and its result, the Lie bracketTensor 시리즈 21편: 곡선과 벡터장이 서로를 만든다는 사실에서 출발해, 기준 벡터장의 흐름을 따라 벡터장을 끌어 와 비교하는 리 미분과 그 결과인 리 괄호

Tensor series텐서 시리즈Part 21 of 4040편 중 21번째
  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 21강 The Lie derivative에 해당합니다. 지난 편에 이어, 미분의 세 종류 중 두 번째인 리 미분Lie derivative을 정리합니다. 첫째는 공변 미분이고, 셋째는 뒤에서 다룰 외미분입니다.

정의 하나, 그리고 이유

기준이 되는 벡터장 VV를 하나 고르고, 다른 벡터장 XX를 그 방향으로 미분한 것을 LVX\Lie{V}X라고 씁니다. 성분으로 쓰면 이렇습니다.

(LVX)ν=Vμ∂μXν−Xμ∂μVν(\Lie{V}X)^\nu = V^\mu \partial_\mu X^\nu - X^\mu \partial_\mu V^\nu

이 식을 정의로 선언하고 시작할 수도 있지만, 식만 봐서는 무엇을 재는지 보이지 않습니다. 그래서 벡터장을 곡선으로 다시 이해하는 데서 출발합니다. 이 길을 거치는 까닭은, 뒤에서 시공간의 구조를 파헤칠 때 쓰는 킬링 벡터장Killing vector field의 바탕이 리 미분이기 때문입니다.

곡선과 접벡터

좌표 xμx^\mu가 있는 시공간에서 곡선은 실수 구간에서 시공간으로 가는 맵입니다. 매개변수를 λ\lambda라 하면 곡선은 함수 네 개 xμ(λ)x^\mu(\lambda)이고, 매개변수가 δ\delta인 다른 곡선 xμ(δ)x^\mu(\delta)는 같은 기호를 써도 다른 함수입니다. 시공간 위의 함수 ff를 곡선 위로 좁히면 f(x0(λ),…,x3(λ))f(x^0(\lambda), \dots, x^3(\lambda))가 되고, λ\lambda에 대한 변화율은 체인 룰로 나옵니다.

dfdλ=dxμdλ ∂μf\frac{df}{d\lambda} = \frac{dx^\mu}{d\lambda}\, \partial_\mu f

xμx^\mu는 변수 하나 λ\lambda의 함수라서 편미분이 아니라 보통의 미분을 씁니다. 여기서 ff를 떼어 내면 연산자가 남습니다.

ddλ=dxμdλ ∂μ\frac{d}{d\lambda} = \frac{dx^\mu}{d\lambda}\, \partial_\mu

성분 dxμ/dλdx^\mu/d\lambda를 점 PP에서 계산하면 실수 네 개이고, 이것이 좌표 기저 ∂μ\partial_\mu 앞에 붙은 벡터입니다. 곡선 하나가 곡선 위의 점마다 접벡터를 하나씩 내주는 셈입니다. 한 점을 지나는 모든 곡선의 접벡터를 모으면 그 점의 벡터 스페이스가 됩니다. 덧셈은 연산자의 합이고, 역원은 곡선을 거꾸로 매개화해 얻고, 영벡터는 점에 머무는 곡선입니다. 좌표 기저를 모든 점에 놓던 지난 방식을 정식으로 다시 세운 셈입니다.

곡선족이 벡터장을 만든다

곡선족congruence of curves은 시공간을 채우면서 서로 만나지 않는 곡선들의 모임입니다. 유체의 유선을 떠올리면 됩니다. 곡선족의 곡선은 모두 같은 매개변수 λ\lambda를 쓰고, 어느 곡선인지는 다른 값으로 구별합니다. 점 PP마다 그 점을 지나는 곡선이 하나뿐이므로 접벡터가 하나 정해집니다.

dxμdλ∣P∂μ\left.\frac{dx^\mu}{d\lambda}\right|_P \partial_\mu

점마다 벡터가 하나씩 놓이니 벡터장입니다. 곡선족이 다르면 벡터장도 다르고, 매개변수가 δ\delta인 곡선족의 벡터장은 d/dδd/d\delta로 씁니다.

벡터장이 곡선족을 만든다

반대 방향도 됩니다. 매끄러운 벡터장 VV가 주어지면 아래 방정식을 풀어 곡선을 얻습니다.

dxμdλ=Vμ(x)\frac{dx^\mu}{d\lambda} = V^\mu(x)

1계 미분방정식이라서 해가 있고 유일하다는 정리가 있으며, 곡선 하나는 초기 조건으로 정해집니다. 해들을 모으면 곡선족이 됩니다. 가장 간단한 예로 V=∂0V = \partial_0이면 V0=1V^0 = 1이고 나머지 성분은 0이므로 이렇게 됩니다.

x0(λ)=λ+c0,x1,x2,x3=상수x^0(\lambda) = \lambda + c_0, \qquad x^1, x^2, x^3 = \text{상수}

상수 세 개가 어느 곡선인지 고르고, 곡선족은 x0x^0축에 나란한 직선들입니다. V=∂1V = \partial_1이면 x1x^1축에 나란한 직선들이 됩니다. 일반적인 벡터장이면 연립 방정식 네 개가 되지만 풀이가 있다는 점은 같습니다.

Q. 곡선족과 벡터장 중 어느 쪽이 먼저인가요?
A. 어느 쪽도 먼저가 아닙니다. 곡선족에서 접벡터를 모으면 벡터장이 나오고, 벡터장에서 방정식을 풀면 곡선족이 나옵니다. 이렇게 양쪽으로 오갈 수 있다는 점이 뒤의 논의에서 결정적입니다. 같은 모양의 곡선이어도 매개변수를 두 배 빠르게 잡으면 접벡터가 두 배가 되므로, 벡터장은 곡선의 모양뿐 아니라 매개변수의 속도까지 정합니다. (이 설명은 접벡터의 정의에서 따라 나오는 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

곡선 따라 ε만큼 가기

곡선 위의 점 λ0\lambda_0에서 매개변수로 ε\varepsilon만큼 간 점의 좌표는 테일러 급수로 쓸 수 있습니다. xμx^\mu가 해석적이라고 가정합니다.

xμ(λ0+ε)=[1+εddλ+ε22!d2dλ2+⋯ ]xμ∣λ0=exp⁡ ⁣(εddλ)xμ∣λ0x^\mu(\lambda_0 + \varepsilon) = \left[ 1 + \varepsilon \frac{d}{d\lambda} + \frac{\varepsilon^2}{2!} \frac{d^2}{d\lambda^2} + \cdots \right] x^\mu \Big|_{\lambda_0} = \exp\!\left( \varepsilon \frac{d}{d\lambda} \right) x^\mu \Big|_{\lambda_0}

Q. 지수 함수 기호는 무엇을 뜻하나요?
A. 연산자의 테일러 급수를 한 번에 적은 기호입니다. ε\varepsilon가 유한한 이동이어도 이 식은 정확합니다. 무한소 이동이면 ε2\varepsilon^2 이상은 버리고 선형항만 남깁니다.

리 끌기

곡선 하나를 고르되, 그 위의 모든 점이 VV의 곡선족에서 매개변수 값 λ0\lambda_0를 갖게 잡습니다. 이 곡선의 모든 점을 자기 곡선을 따라 ε\varepsilon만큼 보내면 새 곡선이 생깁니다. 곡선을 기준 벡터장 VV를 따라 밀어 보내는 이 일을 리 끌기Lie dragging라고 합니다. ε\varepsilon를 바꿔 가며 반복하면 새 곡선족이 생기고, 그 매개변수를 δ\delta라 하면 새 곡선은 λ\lambda가 일정한 곡선이고 원래 곡선은 δ\delta가 일정한 곡선입니다. 두 곡선족이 그물을 이룹니다.

이 그물에서 λ\lambda 방향으로 ε\varepsilon, δ\delta 방향으로 ε\varepsilon만큼 가는 순서를 바꿔도 같은 점에 닿습니다.

eε d/dδ eε d/dλ xμ=eε d/dλ eε d/dδ xμe^{\varepsilon\, d/d\delta}\, e^{\varepsilon\, d/d\lambda}\, x^\mu = e^{\varepsilon\, d/d\lambda}\, e^{\varepsilon\, d/d\delta}\, x^\mu

두 변을 급수로 펼쳐 빼면 낮은 차수는 모두 지워지고, 처음 살아남는 항이 ε2\varepsilon^2에 교환자를 곱한 것입니다. 이것이 0이어야 하므로 이렇게 됩니다.

[ddλ,ddδ]=0\left[ \frac{d}{d\lambda}, \frac{d}{d\delta} \right] = 0

리 끌기로 만든 벡터장 쌍에서만 이 교환이 성립하고, 임의의 두 벡터장은 일반적으로 그렇지 않습니다. 예를 들어 [∂0,x0∂1]=∂1[\partial_0, x^0 \partial_1] = \partial_1이라서 두 흐름은 순서를 바꾸면 다른 점에 닿습니다. (이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

리 미분의 정의

이제 기준 벡터장 VV(매개변수 λ\lambda)와, 리 끌기로 만들지 않은 임의의 벡터장 XX(매개변수 η\eta)를 잡습니다. 점 PP를 지나는 XX의 곡선과, PP에서 VV를 따라 Δλ\Delta\lambda만큼 간 점을 지나는 XX의 곡선은 서로 리 끌기로 이어져 있지 않습니다. 바로 그 차이를 잽니다.

  1. PP에서 Δλ\Delta\lambda 앞에 있는 점을 지나는 XX의 곡선을 VV를 따라 Δλ\Delta\lambda만큼 되끌어 옵니다. 그러면 PP를 지나는 새 곡선이 생깁니다. 매개변수를 η∗\eta^*라 부릅니다.
  2. 이제 PP에 곡선이 둘 있으니 접벡터도 둘입니다. 원래 곡선의 dxμ(η)dη∂μ\frac{dx^\mu(\eta)}{d\eta} \partial_\mu와 끌어 온 곡선의 dxμ(η∗)dη∗∂μ\frac{dx^\mu(\eta^*)}{d\eta^*} \partial_\mu입니다. 둘은 같은 점의 같은 벡터 스페이스에 있어 뺄 수 있습니다.
  3. 차이를 Δλ\Delta\lambda로 나누고 0으로 보냅니다.
LVX=lim⁡Δλ→01Δλ[dxμ(η∗)dη∗−dxμ(η)dη]∂μ∣P\Lie{V}X = \lim_{\Delta\lambda \to 0} \frac{1}{\Delta\lambda} \left[ \frac{dx^\mu(\eta^*)}{d\eta^*} - \frac{dx^\mu(\eta)}{d\eta} \right] \partial_\mu \Big|_P

이 극한을 계산하는 과정은 교재에 있다며 강의가 생략하고 결과만 보입니다. 결과는 처음에 적은 식과 같습니다.

LVX=[V,X]=(Vμ∂μXν−Xμ∂μVν)∂ν\Lie{V}X = [V, X] = \left( V^\mu \partial_\mu X^\nu - X^\mu \partial_\mu V^\nu \right) \partial_\nu

이 교환자를 리 괄호Lie bracket라고도 부릅니다. 정의 하나가 이렇게 곡선의 그림에서 나왔습니다. 아래 장난감에서 기준 VV와 비교할 XX를 골라 점 PP를 끌어 보세요. 끌어 온 벡터와 X(P)X(P)의 차이를 ε\varepsilon로 나눈 값이 ε\varepsilon를 줄일수록 리 괄호에 다가갑니다. (장난감은 같은 흐름으로 점을 ε\varepsilon만큼 보내 벡터를 끌어 오는 방식으로 이 값을 수치로 계산합니다.)

Q. 리 미분은 왜 평행이라는 약속이 필요 없나요?
A. 서로 다른 점의 벡터를 비교하려면 한 점의 벡터를 다른 점으로 옮겨야 합니다. 공변 미분은 접속 계수로 평행의 뜻을 정해 옮깁니다. 리 미분은 기준 벡터장 VV의 흐름이 점에서 점으로 가는 길을 이미 주므로 따로 약속할 것이 없습니다. 대신 VV를 하나 골라야 합니다.

성질과 쓰임

공변 미분은 결과에 공변 첨자가 하나 늘어서 벡터를 미분하면 (1,1)(1, 1) 텐서가 나옵니다. 리 미분은 벡터장을 미분하면 벡터장이 나오고 첨자가 늘지 않습니다. 또 공변 미분은 평행의 뜻을 바꾸면 모든 값이 바뀌듯이, 리 미분은 기준 벡터장 VV를 바꾸면 모든 값이 바뀝니다. 그래서 VV는 이유가 있어서 골라야 합니다.

함수에는 벡터장이 연산자로 작용합니다.

LVf=Vμ∂μf\Lie{V}f = V^\mu \partial_\mu f

XX가 VV로 리 끌린 벡터장이면, 되끌어 온 곡선이 원래 곡선 위에 정확히 얹혀서 두 접벡터의 차이가 0이 됩니다. 이때 리 미분이 0이고 두 벡터장은 교환합니다. 리 미분이 0이라는 조건은 “VV의 흐름 아래서 변하지 않는다”는 뜻으로 읽을 수 있고, 이것이 킬링 벡터를 찾는 방식과 이어집니다. 강의는 일반 상대성이론에서 메트릭이 리 끌려도 변하지 않게 하는 벡터장이 킬링 벡터이고, 그것은 뒤에서 다룬다고 예고합니다. 같은 방식으로 텐서장과 코벡터장의 리 미분도 만들 수 있고, 코벡터장의 식은 다음 강의에서 정리할 수 있다고 합니다.

Q. 리 미분이 0이면 무슨 뜻인가요?
A. 기준 벡터장 VV를 따라 끌어 와도 XX가 변하지 않는다는 뜻이고, [V,X]=0[V, X] = 0이라서 두 흐름을 어느 순서로 밟아도 같은 점에 닿습니다. 위 장난감에서 XX를 VV 자신으로 고르면 이 경우가 됩니다.

다음 편에서는 외미분이 다루는 대상인 p-형식을 소개합니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 21 of the playlist, The Lie derivative. Following the previous post, I collect the Lie derivative, the second of three kinds of derivatives. The first is the covariant derivative, and the third is the exterior derivative, which comes later.

One definition, and the reason

Pick a reference vector field VV and write LVX\Lie{V}X for the derivative of another vector field XX in that direction. In components it reads as follows.

(LVX)ν=Vμ∂μXν−Xμ∂μVν(\Lie{V}X)^\nu = V^\mu \partial_\mu X^\nu - X^\mu \partial_\mu V^\nu

We could simply declare this formula to be the definition, but the formula alone does not show what it measures. So we start by understanding vector fields again through curves. We take this road because the Killing vector fields, which we use later to dig into the structure of spacetime, are built on the Lie derivative.

Curves and tangent vectors

In a spacetime with coordinates xμx^\mu, a curve is a map from an interval of real numbers into spacetime. With parameter λ\lambda the curve is four functions xμ(λ)x^\mu(\lambda), and another curve xμ(δ)x^\mu(\delta) with parameter δ\delta is a different function even though we use the same symbol. Restricting a function ff on spacetime to the curve gives f(x0(λ),…,x3(λ))f(x^0(\lambda), \dots, x^3(\lambda)), and its rate of change in λ\lambda comes from the chain rule.

dfdλ=dxμdλ ∂μf\frac{df}{d\lambda} = \frac{dx^\mu}{d\lambda}\, \partial_\mu f

Since xμx^\mu is a function of the single variable λ\lambda, we use ordinary derivatives rather than partial derivatives. Stripping away ff leaves an operator.

ddλ=dxμdλ ∂μ\frac{d}{d\lambda} = \frac{dx^\mu}{d\lambda}\, \partial_\mu

Computing the components dxμ/dλdx^\mu/d\lambda at a point PP gives four real numbers, and they sit in front of the coordinate basis ∂μ\partial_\mu as a vector. One curve hands out one tangent vector at each point on it. Collecting the tangent vectors of all curves through a point gives the vector space of that point. Addition is the sum of operators, the inverse comes from parametrizing the curve backwards, and the zero vector is the curve that stays at the point. This rebuilds, on firm ground, the earlier way of placing a coordinate basis at every point.

A congruence of curves makes a vector field

A congruence of curves is a collection of curves that fills spacetime without meeting each other. Think of the streamlines of a fluid. All curves of the congruence use the same parameter λ\lambda, and another value tells which curve we are on. Each point PP has only one curve through it, so one tangent vector is fixed.

dxμdλ∣P∂μ\left.\frac{dx^\mu}{d\lambda}\right|_P \partial_\mu

One vector sits at each point, so this is a vector field. A different congruence gives a different vector field, and the vector field of a congruence with parameter δ\delta is written d/dδd/d\delta.

A vector field makes a congruence

The other direction works too. Given a smooth vector field VV, we get curves by solving the equation below.

dxμdλ=Vμ(x)\frac{dx^\mu}{d\lambda} = V^\mu(x)

This is a first-order differential equation, a theorem says a solution exists and is unique, and one curve is fixed by its initial condition. Collecting the solutions gives a congruence. In the simplest example V=∂0V = \partial_0, we have V0=1V^0 = 1 and the other components are 0, so this happens.

x0(λ)=λ+c0,x1,x2,x3=constantsx^0(\lambda) = \lambda + c_0, \qquad x^1, x^2, x^3 = \text{constants}

The three constants choose the curve, and the congruence is the straight lines parallel to the x0x^0 axis. For V=∂1V = \partial_1 we get the straight lines parallel to the x1x^1 axis. A general vector field gives four coupled equations, but a solution exists just the same.

Q. Which comes first, the congruence or the vector field?
A. Neither comes first. Collecting tangent vectors from a congruence gives a vector field, and solving the equation from a vector field gives a congruence. That we can go both ways is decisive for the argument that follows. Even for curves of the same shape, running the parameter twice as fast doubles the tangent vector, so a vector field fixes not only the shape of the curves but also the speed of the parameter. (This explanation follows from the definition of the tangent vector and was not covered in the lecture.)

Moving by ε along a curve

The coordinates of the point reached from the point λ0\lambda_0 by a parameter amount ε\varepsilon can be written with a Taylor series. We assume xμx^\mu is analytic.

xμ(λ0+ε)=[1+εddλ+ε22!d2dλ2+⋯ ]xμ∣λ0=exp⁡ ⁣(εddλ)xμ∣λ0x^\mu(\lambda_0 + \varepsilon) = \left[ 1 + \varepsilon \frac{d}{d\lambda} + \frac{\varepsilon^2}{2!} \frac{d^2}{d\lambda^2} + \cdots \right] x^\mu \Big|_{\lambda_0} = \exp\!\left( \varepsilon \frac{d}{d\lambda} \right) x^\mu \Big|_{\lambda_0}

Q. What does the exponential notation mean?
A. It is the Taylor series of an operator written all at once. The formula is exact even when ε\varepsilon is a finite move. For an infinitesimal move we drop ε2\varepsilon^2 and higher and keep only the linear term.

Lie dragging

Pick a curve, set up so that every point on it has the parameter value λ0\lambda_0 in the congruence of VV. Sending every point of this curve along its own curve by ε\varepsilon makes a new curve. This act of pushing a curve along the reference vector field VV is called Lie dragging. Repeating it while changing ε\varepsilon makes a new congruence. Call its parameter δ\delta. Then the new curves are curves of constant λ\lambda, and the original curves are curves of constant δ\delta. The two congruences form a net.

On this net, moving ε\varepsilon in the λ\lambda direction and ε\varepsilon in the δ\delta direction reaches the same point in either order.

eε d/dδ eε d/dλ xμ=eε d/dλ eε d/dδ xμe^{\varepsilon\, d/d\delta}\, e^{\varepsilon\, d/d\lambda}\, x^\mu = e^{\varepsilon\, d/d\lambda}\, e^{\varepsilon\, d/d\delta}\, x^\mu

Expanding both sides in series and subtracting, all the lower orders cancel, and the first surviving term is ε2\varepsilon^2 times the commutator. This must vanish, so we get the following.

[ddλ,ddδ]=0\left[ \frac{d}{d\lambda}, \frac{d}{d\delta} \right] = 0

This commutation holds for pairs of vector fields made by Lie dragging, and for two arbitrary vector fields it generally fails. For example, [∂0,x0∂1]=∂1[\partial_0, x^0 \partial_1] = \partial_1, so the two flows reach different points when the order is swapped. (This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)

The definition of the Lie derivative

Now take the reference vector field VV (parameter λ\lambda) and an arbitrary vector field XX (parameter η\eta) that was not made by Lie dragging. The curve of XX through the point PP and the curve of XX through the point reached from PP along VV by Δλ\Delta\lambda are not connected by Lie dragging. We measure exactly that difference.

  1. Drag the curve of XX through the point Δλ\Delta\lambda ahead of PP back along VV by Δλ\Delta\lambda. This makes a new curve through PP. Call its parameter η∗\eta^*.
  2. Now there are two curves at PP, so there are two tangent vectors: dxμ(η)dη∂μ\frac{dx^\mu(\eta)}{d\eta} \partial_\mu of the original curve and dxμ(η∗)dη∗∂μ\frac{dx^\mu(\eta^*)}{d\eta^*} \partial_\mu of the dragged curve. They are in the same vector space at the same point, so we can subtract them.
  3. Divide the difference by Δλ\Delta\lambda and send it to 0.
LVX=lim⁡Δλ→01Δλ[dxμ(η∗)dη∗−dxμ(η)dη]∂μ∣P\Lie{V}X = \lim_{\Delta\lambda \to 0} \frac{1}{\Delta\lambda} \left[ \frac{dx^\mu(\eta^*)}{d\eta^*} - \frac{dx^\mu(\eta)}{d\eta} \right] \partial_\mu \Big|_P

The lecture skips the computation of this limit, saying it is in the textbooks, and shows only the result. The result equals the formula we wrote at the start.

LVX=[V,X]=(Vμ∂μXν−Xμ∂μVν)∂ν\Lie{V}X = [V, X] = \left( V^\mu \partial_\mu X^\nu - X^\mu \partial_\mu V^\nu \right) \partial_\nu

This commutator is also called the Lie bracket. A definition that was one line came out of a picture of curves in this way. In the toy below, pick the reference VV and the XX to compare, and drag the point PP. The difference between the dragged vector and X(P)X(P), divided by ε\varepsilon, approaches the Lie bracket as you shrink ε\varepsilon. (The toy computes this value numerically by sending the point along the same flow by ε\varepsilon and dragging the vector back.)

Q. Why does the Lie derivative need no rule of parallelism?
A. To compare vectors at different points, we must carry the vector at one point to the other. The covariant derivative carries it by fixing the meaning of parallel with connection coefficients. For the Lie derivative the flow of the reference vector field VV already gives the road from point to point, so there is nothing more to agree on. Instead we must choose one VV.

Properties and uses

The covariant derivative adds one covariant index to the result, so differentiating a vector gives a (1,1)(1, 1) tensor. The Lie derivative of a vector field is a vector field, and no index is added. Also, just as every value of the covariant derivative changes when we change the meaning of parallel, every value of the Lie derivative changes when we change the reference vector field VV. So VV has to be chosen for a reason.

On functions, the vector field acts as an operator.

LVf=Vμ∂μf\Lie{V}f = V^\mu \partial_\mu f

If XX is a vector field Lie dragged by VV, the dragged-back curve lies exactly on the original curve and the difference of the two tangent vectors is 0. Then the Lie derivative is 0 and the two vector fields commute. The condition that the Lie derivative is zero can be read as “unchanged under the flow of VV”, and this connects to how Killing vectors are found. The lecture previews that in general relativity a vector field that leaves the metric unchanged under Lie dragging is a Killing vector, and says it will come later. In the same way we can build the Lie derivative of tensor fields and covector fields, and the lecture says the formula for covector fields may be listed in the next lecture.

Q. What does it mean when the Lie derivative is 0?
A. It means XX does not change when dragged along the reference vector field VV, and since [V,X]=0[V, X] = 0, the two flows reach the same point in either order. In the toy above, choosing XX to be VV itself gives this case.

In the next post we meet p-forms, the objects the exterior derivative acts on.

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