Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
Tensor series, part 24: the definition of the differential df of a function as a 1-form, the requirements of the anti-Leibniz rule and d²=0, the uniqueness proof that only one exterior derivative satisfies them, and the check that it existsTensor 시리즈 24편: 함수의 미분 df를 1-형식으로 세우는 정의, 반라이프니츠 규칙과 d²=0이라는 요구, 그 요구를 만족하는 외미분이 하나뿐임을 보이는 유일성 증명과 실제로 있음을 보이는 존재 확인
Tensor series텐서 시리즈Part 24 of 4040편 중 24번째
- 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
- 복습과 이번 편의 방향
- 함수의 미분 df
- 외미분이 만족해야 할 세 가지
- 완전한 형식과 닫힌 형식
- 유일성 (1): 기저 형식의 외미분은 0
- 유일성 (2): 일반 p-형식의 dω는 하나로 정해진다
- 존재: 규칙 (2)가 지켜지는가
- 존재: 규칙 (3)이 지켜지는가
- 정리
- Review and where this post is going
- The differential df of a function
- Three requirements on the exterior derivative
- Exact forms and closed forms
- Uniqueness (1): the exterior derivative of a basis form is 0
- Uniqueness (2): dωd\omegadω of a general p-form is fixed
- Existence: does rule (2) hold?
- Existence: does rule (3) hold?
- Summary
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 24강 The Exterior Derivative - formal introduction에 해당합니다. 지난 편에서 외대수를 세웠으니, 이번 편에서는 그 위에서 미분하는 연산인 외미분을 세웁니다.
복습과 이번 편의 방향
외대수는 벡터 스페이스 의 차 외부 거듭제곱 들을 직합으로 묶고 쐐기곱을 곱셈으로 둔 것입니다. 쐐기곱은 이고 결합법칙을 따르며 입니다. 강의는 쌍대 스페이스에 쓰는 일이 많을 뿐 이 구성이 어떤 벡터 스페이스에서도 된다고 짚습니다. 호지 스타는 메트릭이 있을 때 를 로 보내는 연산이고, 스타는 처럼 왼쪽에 씁니다(지난 강의에서 오른쪽에 적은 것을 강의가 바로잡습니다).
이제 미적분입니다. 우리에게는 이미 미분이 둘 있습니다. 리 미분과 공변 미분입니다. 세 번째가 외미분이고, -형식을 -형식으로 보내는 연산 입니다. 강의는 이번에 정의와 사실을 차례로 쌓고 직관은 시간을 들여 뒤에 붙이겠다고 합니다. 직관에서 출발해 형식을 만드는 것보다 이 순서가 낫다는 판단입니다. 이 글도 그 순서를 따릅니다.
함수의 미분 df
0-형식은 시공간 위의 매끄러운 함수 입니다. 이것의 미분 는 1-형식이어야 하므로, 벡터 를 받아 실수를 냅니다. 우리가 가진 재료는 둘뿐입니다. 벡터가 함수에 작용하는 와 형식이 벡터에 작용하는 것이고, 이 둘을 이으면 고를 수 있는 길이 하나 남습니다.
곧 는 벡터가 함수를 삼킬 때와 같은 일을 벡터를 삼키며 해내는 1-형식입니다. 좌표 기저에서 이것은 다음 식입니다.
확인은 를 넣어 보면 됩니다. 입니다. 좌표 함수 자체에 쓰면 이므로, 지금까지 기저로 쓴 1-형식 는 좌표 함수의 미분입니다.
외미분이 만족해야 할 세 가지
는 에서 로 가는 선형 연산이고, 다음 세 가지를 요구합니다.
- (1) 0-형식에서는 위의 가 됩니다.
- (2) 반라이프니츠 규칙: 가 -형식, 가 -형식이면 입니다.
- (3) 입니다. 줄여서 으로 씁니다.
(2)의 부호는 이렇게 읽습니다. 보통의 곱 규칙이면 일 텐데, 와 사이에서 가 만든 1-형식 한 칸이 의 개 칸을 건너가야 합니다. 건널 때마다 부호가 하나씩 뒤집히므로 가 붙습니다. 부호를 정하는 것은 앞 형식의 차수 뿐이고 의 차수 는 상관이 없습니다. 반대칭이 곱 규칙을 이렇게 비틉니다. (3)도 반대칭의 결과로, 두 번 미분하면 언제나 0입니다. 강의는 이것이 위상수학의 “경계의 경계는 없다”와 닿아 있다고 짚고(원판의 경계는 원이고 원에는 경계가 없습니다), 정의를 이해한 뒤에 다시 보겠다며 넘어갑니다.
이 세 요구를 만족하는 가 (가) 많아야 하나이고 (나) 실제로 있다는 것을 보이면, 외미분은 우리가 고른 것이 되지 않고 요구가 강제한 것이 됩니다. 이 강의의 나머지가 그 두 증명입니다.
완전한 형식과 닫힌 형식
용어를 먼저 정리합니다. 인 가 있으면 는 완전하다고 하고, 이면 닫혔다고 합니다. 위상수학의 닫힌 집합과는 관계없는 말입니다. 완전한 형식은 언제나 닫혀 있습니다. 이면 이기 때문입니다. 거꾸로 닫힌 형식이 모두 완전하지는 않습니다. 강의는 지난 강의에서 이 말을 했어야 했다며, 미분방정식을 다룰 때 중요해진다고 짚습니다.
Q. 닫혔지만 완전하지 않은 형식이 실제로 있나요?
A. 있습니다. 평면에서 원점을 뺀 영역의 1-형식 는 를 하면 0이지만 이 영역 전체에서 어떤 함수의 미분도 아닙니다. 각도 함수는 원점을 한 바퀴 돌면 값이 맞지 않기 때문입니다. (이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
유일성 (1): 기저 형식의 외미분은 0
-형식의 기저는 번호가 오름차순인 로 적습니다. 같은 식입니다. 번호가 어긋난 는 순서를 바로잡은 기저의 배라서 따로 둘 필요가 없습니다. 번호열 를 통째로 한 글자로 쓰는 이 표기를 다중 지표라고 하고, 많은 책이 씁니다.
주장은 입니다. 규칙 (3)이 있으니 당연해 보이지만, 가 어떤 형식의 미분이라는 보장이 아직 없습니다. 이것을 에 대한 수학적 귀납법으로 보입니다.
이면 이므로 입니다. 까지 성립한다고 하고 0-형식 을 앞에 쐐기해서 규칙 (2)를 씁니다.
0-형식이라서 부호는 입니다. 둘째 항은 귀납 가정으로 0이므로, 가 어떤 형식의 외미분이 됩니다. 규칙 (3)에 따라 그것의 는 0이고, 입니다.
Q. 함수 을 형식과 쐐기해도 되나요?
A. 함수는 0-형식이므로 됩니다. 0-형식과 -형식을 쐐기하면 -형식이 나오고, 그 값은 그냥 함수를 곱한 입니다. 강의는 이 쐐기가 처음에는 이상해 보였다고 말합니다.
유일성 (2): 일반 p-형식의 dω는 하나로 정해진다
일반 -형식은 입니다. 계수 는 시공간의 함수입니다. 는 선형이므로 항마다 풀 수 있고, 항 하나에 규칙 (2)를 씁니다. 함수 가 0-형식이라서 부호는 1입니다.
둘째 항은 앞 절에서 0이었습니다. 남은 는 0-형식의 미분이므로 규칙 (1)로 계산됩니다.
이 식에는 빈틈이 없습니다. 좌표계만 있으면 계수 함수와 편미분은 정해지고, 쓴 것은 규칙 (1)과 (2)와 (3)뿐입니다. 그래서 요구를 만족하는 가 있다면 그것은 하나뿐이고, 위의 식이 그 모양입니다. 말로는 이렇게 읽습니다. 항마다 계수를 모든 좌표로 미분하고, 그 를 맨 앞에 붙입니다. 에 같은 번호가 이미 있으면 쐐기가 0이고, 그렇지 않으면 오름차순으로 옮기는 부호가 붙습니다.
아래 장난감에서 계수를 바꿔 가며 확인해 보세요. 차원과 차수를 고르고 칸을 누르면 계수 함수가 바뀝니다. 항마다 어떤 미분이 어떤 기저에 붙는지, 붙을 자리가 겹쳐 0이 되는 곳은 어디인지 보입니다. 맨 아래에서는 의 항을 기저별로 모아 서로 지우는 모습을 볼 수 있습니다.
(예를 하나 보탭니다. 평면에서 이면 입니다. 이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
존재: 규칙 (2)가 지켜지는가
위 식을 정의로 삼았을 때 세 규칙이 모두 지켜지는지 확인해야 합니다. 규칙 (1)은 0-형식에서 식이 곧 정의이므로 지켜집니다. 규칙 (2)는 선형성 덕분에 항 하나씩만 보면 됩니다. 를 -형식, 를 -형식이라 하면 이고, 식에 따라 이렇게 됩니다.
곱의 미분이 둘로 갈라진 것입니다. 첫 항은 입니다. 둘째 항에서는 를 의 개 1-형식 뒤로 옮겨야 꼴이 되고, 그 값이 입니다.
그래서 입니다. 규칙 (2)에 적은 부호가 이 계산에서 그대로 나옵니다.
존재: 규칙 (3)이 지켜지는가
마지막으로 입니다. 항 하나 에 두 번 쓰면 이렇게 됩니다.
첫 번째 가 를, 두 번째가 을 맨 앞에 붙였습니다. 인 항은 이라서 없습니다. 이면 항과 항이 짝을 이룹니다. 쐐기곱은 로 부호가 반대이고, 매끄러운 함수의 편미분은 순서가 상관없어서 입니다. 두 항이 정확히 지워지므로 전체가 0입니다. 한쪽은 순서가 바뀌어도 값이 같은 편미분이고 다른 쪽은 순서가 바뀌면 부호가 뒤집히는 쐐기곱이라서, 두 번 미분이 0이 됩니다.
Q. 이 반대칭에서 나온다는 말이 무슨 뜻인가요?
A. 위 합에서 지워지는 것은 편미분의 대칭 이 쐐기의 반대칭 과 부딪치기 때문입니다. 쐐기곱이 반대칭이 아니라 대칭이었다면 두 항이 더해져 0이 되지 않습니다.
정리
강의는 처음부터 되짚습니다. 0-형식에서는 로 못 박았습니다. 여기에 반라이프니츠 규칙과 을 요구했습니다. 이 요구를 만족하는 가 있다면 일반 형식의 값이 식 하나로 정해져 유일합니다. 그 식을 정의로 삼아 규칙 (2)와 (3)이 실제로 지켜지는 것을 계산해 존재도 보였습니다. 유일성 증명이 대상을 찾아내기도 해서, 남은 일은 그 대상이 규칙을 만족하는지 확인하는 것이었습니다. 다음 편에서는 외미분의 예를 몇 가지 계산하고 전자기학에 적용해 봅니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 24 of the playlist, The Exterior Derivative - formal introduction. Having set up the exterior algebra in the previous post, this time we build the operation that differentiates on it, the exterior derivative.
Review and where this post is going
The exterior algebra gathers the -th exterior powers of a vector space into a direct sum and takes the wedge product as its multiplication. The wedge product is , it is associative, and . The lecture points out that we usually apply this to the dual space but the construction works for any vector space. The Hodge star maps to when there is a metric, and the star goes on the left, as in (the lecture corrects the right-hand placement in the last lecture).
Now for the calculus. We already have two derivatives, the Lie derivative and the covariant derivative. The third is the exterior derivative, the operation that sends a -form to a -form. The lecture says it will pile up definitions and facts in order this time and attach intuition slowly afterwards. The judgment is that this order is better than starting from intuition and building the forms. This post follows the same order.
The differential df of a function
A 0-form is a smooth function on spacetime. Its derivative has to be a 1-form, so it takes a vector and returns a real number. We have only two ingredients, a vector acting on a function, , and a form acting on a vector, and joining the two leaves exactly one way to go.
That is, is the 1-form that, by swallowing a vector, does what the vector would do by swallowing the function. In a coordinate basis this is the following formula.
To check it, insert . We get . Applied to a coordinate function itself this gives , so the basis 1-forms we have been using are differentials of coordinate functions.
Three requirements on the exterior derivative
The operation is a linear map from to , and we require three things.
- (1) On 0-forms it is the formula above.
- (2) The anti-Leibniz rule: if is a -form and is a -form, then .
- (3) , written for short.
Here is how to read the sign in (2). An ordinary product rule would give , but between and the 1-form slot made by has to pass the slots of . Each crossing flips the sign once, which gives . Only the degree of the front form fixes the sign, and the degree of does not matter. Antisymmetry twists the product rule this way. Rule (3) is also a consequence of antisymmetry: differentiating twice always gives 0. The lecture notes that this touches the topological fact that the boundary of a boundary is empty (the boundary of a disc is a circle, and a circle has no boundary), and moves on, promising to return once the definition is understood.
If we can show that a satisfying these three requirements (a) is at most one and (b) really exists, then the exterior derivative is not something we chose but something the requirements force. The rest of this lecture is those two proofs.
Exact forms and closed forms
First some vocabulary. If for some , then is called exact, and if it is called closed. The word has nothing to do with closed sets in topology. An exact form is always closed, because gives . The converse fails, since not every closed form is exact. The lecture says it should have mentioned these words in the last lecture, and that they become important when we reach differential equations.
Q. Are there forms that are closed but not exact?
A. Yes. On the plane with the origin removed, the 1-form gives 0 under , but it is not the differential of any function on the whole region. The angle function does not return to its value after one loop around the origin. (This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)
Uniqueness (1): the exterior derivative of a basis form is 0
We write the basis of -forms with ascending numbers , as in . An out-of-order product such as is the properly ordered basis form, so we do not need it separately. This notation, which writes the whole list as a single letter, is called a multi-index, and many books use it.
The claim is . With rule (3) it looks obvious, but we do not yet know that is the derivative of some form. We show it by mathematical induction on .
For , , so . Suppose it holds up to , and wedge the 0-form in front of and use rule (2).
Since it is a 0-form the sign is . The second term is 0 by the induction hypothesis, so is the exterior derivative of some form. By rule (3) its is 0, and .
Q. May we wedge the function with a form?
A. Yes, because a function is a 0-form. Wedging a 0-form with a -form gives a -form, and its value is just the function times the form, . The lecture says this wedge looked strange to the lecturer at first.
Uniqueness (2): of a general p-form is fixed
A general -form is , with coefficients that are functions on spacetime. Since is linear we can go term by term and apply rule (2) to one term. The function is a 0-form, so the sign is 1.
The second term was 0 in the previous section. What remains, , is the derivative of a 0-form, computed by rule (1).
There is no gap in this formula. Once there is a coordinate system the coefficient functions and partial derivatives are fixed, and all we used were rules (1), (2) and (3). So if a satisfying the requirements exists it is unique, and the formula above is what it looks like. In words: differentiate the coefficient of each term by every coordinate and attach that at the front. If already contains the same number the wedge is 0, and otherwise a sign appears from moving it into ascending order.
Check this in the toy below by changing the coefficients. Pick the dimension and the degree, and tap a cell to change its coefficient function. You can see which derivative attaches to which basis element for each term, and where the slots collide and give 0. At the bottom you can watch the terms of collected by basis element and cancelling each other.
(Here is one example. On the plane, if then . This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)
Existence: does rule (2) hold?
Taking the formula above as the definition, we must check that all three rules hold. Rule (1) holds because on 0-forms the formula is the definition. For rule (2), linearity lets us look at one term at a time. Let be a -form and a -form, so , and by the formula we get the following.
The derivative of a product has split in two. The first term is . In the second term we must move past the 1-forms of to reach the shape of , and that costs .
So . The sign we wrote in rule (2) comes straight out of this computation.
Existence: does rule (3) hold?
Finally . Applying it twice to one term gives the following.
The first put at the front, and the second put at the front. The terms with vanish because . For the term and the term form a pair. The wedge products have opposite signs, , and for a smooth function the order of partial derivatives does not matter, . The two terms cancel exactly, so the whole sum is 0. One side is the partial derivative, whose value stays the same when the order changes, and the other is the wedge product, whose sign flips when the order changes, which is why differentiating twice gives 0.
Q. What does it mean that comes from antisymmetry?
A. In the sum above, what cancels is the symmetry of partial derivatives colliding with the antisymmetry of the wedge . If the wedge product were symmetric the two terms would add up and would not give 0.
Summary
The lecture ends by retracing the whole path. On 0-forms we fixed . On top of that we required the anti-Leibniz rule and . If a satisfying these exists, its value on a general form is fixed by a single formula, so it is unique. Taking that formula as the definition, we computed that rules (2) and (3) really hold, which also shows existence. The uniqueness proof found the object as well, so what remained was checking that the object satisfies the rules. In the next post we compute some examples of the exterior derivative and apply it to electromagnetism.
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