Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습

Tensor series, part 26: p-vectors built from vectors and p-forms built from dual vectors share one structure, the exterior algebra is a direct sum of n+1 slots, and the three ways of writing components (strict components, the 1/p! sum, and the tensor-product basis)Tensor 시리즈 26편: 벡터로 쌓는 p-벡터와 쌍대 벡터로 쌓는 p-형식이 같은 구조라는 것, 외대수가 (n+1)개 슬롯의 직합이라는 것, 성분을 엄격한 성분과 1/p! 합과 텐서곱 기저로 적는 세 방식 복습

Tensor series텐서 시리즈Part 26 of 4040편 중 26번째
  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 26강 P-vectors and P-forms Recap에 해당합니다. 지난 편에서 행렬식을 복습했으니, 이번 편은 지금까지 만든 p-형식을 돌아보고, 같은 구성을 쌍대 스페이스 없이 벡터로 해 본 p-벡터p-vector를 함께 놓습니다. 지난 p-형식 강의에서 설명이 부족했던 부분을 바로잡는 복습입니다.

표기: 위 첨자와 아래 첨자

벡터 스페이스 V\V 하나를 기준으로 잡습니다. V\V의 쌍대 스페이스 원소인 1-형식들을 pp개 쐐기해서 만드는 스페이스를 Λp(V)\Lambda^p(\V), V\V의 벡터를 pp개 쐐기해서 만드는 스페이스를 Λp(V)\Lambda_p(\V)로 적습니다. 첨자의 위치가 구별을 맡습니다. 전에 올린 글에서는 ΛpV∗\Lambda^p \V^*처럼 별표를 붙였는데, 강의는 그것이 표준 표기가 아니라고 바로잡습니다. 텐서곱 스페이스도 (0,p)(0, p)형 스페이스를 V∗\V^*로 풀어 쓰지 않고 V\V 하나만 넣어 Tqp(V)T^p_q(\V)처럼 적는 것과 같은 이유입니다. 이 정의에서는 V\V가 닻이고, 첨자가 그 닻에서 무엇을 쌓는지만 말해 줍니다.

Λp(V) (p-형식),Λp(V) (p-벡터)\Lambda^p(\V) \ \text{(p-형식)}, \qquad \Lambda_p(\V) \ \text{(p-벡터)}

이름에 주의합니다. 차수가 4인 p-벡터를 4-벡터라 부를 수 있지만, 상대성 이론의 4-벡터(에너지와 운동량을 묶은 벡터)와는 아무 관계가 없습니다. 헷갈림을 피하려고 강의는 5-벡터로 예를 듭니다.

Q. p-벡터는 상대성 이론의 4-벡터와 같은 것인가요?
A. 다릅니다. 상대성 이론의 4-벡터는 성분이 넷인 보통의 벡터이고, p-벡터는 벡터를 pp개 쐐기한 외부 거듭제곱의 원소입니다. 이름만 겹칩니다.

단순 p-벡터와 성분

p-벡터는 p-형식과 만드는 법이 같습니다. 벡터 v,w,x,z,qv, w, x, z, q를 쐐기한 v∧w∧x∧z∧qv \wedge w \wedge x \wedge z \wedge q는 5차 외부 거듭제곱 Λ5(V)\Lambda_5(\V)의 원소이고, 한 번의 쐐기곱으로 쓰였으므로 단순simple 5-벡터입니다. 이런 단순한 것 둘을 더한 v∧w∧x∧z∧q+a∧b∧c∧d∧ev \wedge w \wedge x \wedge z \wedge q + a \wedge b \wedge c \wedge d \wedge e 같은 합은 하나의 쐐기곱으로 묶이지 않을 수 있고, 묶이지 않으면 단순하지 않습니다. 보통은 단순한 것만 연구합니다. 모든 것이 선형이라서 단순한 것에서 알면 합으로 확장되기 때문이고, 이 합은 Λp(V)\Lambda_p(\V)가 텐서곱 스페이스의 부분 스페이스라서 거기서 물려받은 덧셈입니다.

성분도 같은 식으로 나옵니다. 단순 3-벡터는 이렇게 전개됩니다.

u∧v∧w=uμvνwγ  eμ∧eν∧eγu \wedge v \wedge w = u^\mu v^\nu w^\gamma \; e_\mu \wedge e_\nu \wedge e_\gamma

계수는 u,v,wu, v, w의 성분을 곱한 것이고 기저는 Λ3(V)\Lambda_3(\V)의 기저 eμ∧eν∧eγe_\mu \wedge e_\nu \wedge e_\gamma입니다. p-형식과 다른 것은 지표가 위아래로 바뀐 점뿐입니다. 벡터가 쌍대 스페이스의 원소에 작용하는 사상으로 읽힐 수 있으므로, p-벡터도 p-형식을 받아 수를 내는 사상으로 읽힙니다.

외부 거듭제곱의 탑과 차원

벡터 스페이스 V\V 하나에서 텐서곱 스페이스는 (p,q)(p, q)마다 끝없이 만들 수 있습니다. 외부 거듭제곱은 다릅니다. V\V의 차원이 nn이면 이렇게 n+1n + 1개뿐입니다.

Λ0(V), Λ1(V), Λ2(V), …, Λn(V)\Lambda_0(\V), \ \Lambda_1(\V), \ \Lambda_2(\V), \ \ldots, \ \Lambda_n(\V)

Λn+1(V)\Lambda_{n+1}(\V)부터는 모두 0입니다. 반대칭이 이를 강제합니다. 물리에서 흥미로운 사실 상당수가 이 유한한 개수의 스페이스에서 나옵니다. 강의는 이 스페이스들이 왜 중요한지는 아직 말하지 않고 무엇인지만 다룬다고 밝힙니다. 다른 책에서 이 개념을 만나는 독자가 정의의 신비를 걷어내게 하려는 의도입니다.

Q. 왜 Λn+1(V)\Lambda_{n+1}(\V)는 0인가요?
A. 차원이 nn이면 기저 벡터는 nn개뿐이라서, n+1n + 1개를 쐐기하려면 같은 기저 벡터가 적어도 하나 두 번 들어갑니다. 쐐기곱은 반대칭이라 같은 것이 둘이면 0입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

각 스페이스의 차원은 이항계수입니다. p-벡터든 p-형식이든 같습니다.

dim⁡Λp(V)=dim⁡Λp(V)=(np)=(nn−p)\dim \Lambda_p(\V) = \dim \Lambda^p(\V) = \binom{n}{p} = \binom{n}{n-p}

Λ0(V)=R\Lambda_0(\V) = \R이고, 스칼라 장을 다룰 때는 시공간 위의 매끄러운 함수가 됩니다. Λ1(V)\Lambda_1(\V)는 벡터 스페이스 V\V 자신이고 Λ1(V)\Lambda^1(\V)는 쌍대 스페이스입니다. 두 쪽 끝 Λ0\Lambda_0과 Λn\Lambda_n은 모두 1차원이고, Λ1\Lambda_1과 Λn−1\Lambda_{n-1}은 모두 nn차원입니다. 앞쪽 스페이스와 뒤쪽 스페이스의 차원이 맞는 이 대칭이 이후 호지 스타의 바탕입니다.

n=3과 n=4의 기저

차원 3부터 기저를 적어 보겠습니다. 번호는 0, 1, 2를 씁니다. 좌표 기저면 eμe_\mu 자리에 ∂μ\partial_\mu를 넣습니다.

p=0: 1,p=1: e0, e1, e2,p=2: e0∧e1, e0∧e2, e1∧e2,p=3: e0∧e1∧e2p = 0: \ 1, \qquad p = 1: \ e_0, \ e_1, \ e_2, \qquad p = 2: \ e_0 \wedge e_1, \ e_0 \wedge e_2, \ e_1 \wedge e_2, \qquad p = 3: \ e_0 \wedge e_1 \wedge e_2

차원이 1,3,3,11, 3, 3, 1로 앞뒤가 대칭입니다. p-형식에서는 같은 자리에 dxμdx^\mu를 쓰고 나머지는 모두 같습니다. 차원이 하나 늘어 4가 되면 e3e_3이 하나 더 생겨, 2차는 e0∧e3e_0 \wedge e_3, e1∧e3e_1 \wedge e_3, e2∧e3e_2 \wedge e_3가 늘어난 6개, 3차는 e0∧e1∧e3e_0 \wedge e_1 \wedge e_3, e0∧e2∧e3e_0 \wedge e_2 \wedge e_3, e1∧e2∧e3e_1 \wedge e_2 \wedge e_3가 늘어난 4개, 4차는 e0∧e1∧e2∧e3e_0 \wedge e_1 \wedge e_2 \wedge e_3 하나입니다. 차원은 1,4,6,4,11, 4, 6, 4, 1로 역시 대칭입니다.

p-벡터와 p-형식이 같은 구조라는 것은 개수만이 아닙니다. 둘은 짝을 이룹니다.

(p-벡터 v1∧⋯∧vpv_1 \wedge \cdots \wedge v_p와 p-형식 α1∧⋯∧αp\alpha^1 \wedge \cdots \wedge \alpha^p를 짝지으면 값이 행렬식 det⁡(αi(vj))\det \left( \alpha^i(v_j) \right)입니다. 지난 편의 행렬식이 여기서 쓰입니다. 이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

외대수는 (n+1)칸 튜플의 직합

모든 차수를 한꺼번에 묶은 외대수는 직합direct sum입니다.

Λ0(V)⊕Λ1(V)⊕⋯⊕Λn(V)\Lambda_0(\V) \oplus \Lambda_1(\V) \oplus \cdots \oplus \Lambda_n(\V)

직합이라서 벡터 스페이스이고, 쐐기곱을 곱셈으로 두어 대수가 됩니다. 이 집합의 원소는 튜플이고 칸은 n+1n + 1개입니다. 강의는 차원 nn의 튜플이라고 말했다가 0차 칸이 있으니 n+1n + 1개라고 고칩니다. 첫 칸에는 0차, 둘째 칸에는 1차, 마지막 칸에는 nn차의 원소가 들어가고, nn차 이후는 비어 있다고 보고 자릅니다. 덧셈은 칸마다 합니다. 칸 하나는 자기 벡터 스페이스에서 덧셈을 물려받습니다.

(a,b,c,d)+(e,f,g,h)=(a+e, b+f, c+g, d+h)(a, b, c, d) + (e, f, g, h) = (a + e, \ b + f, \ c + g, \ d + h)

이렇게 차수가 매겨진 대수를 등급 대수graded algebra라 합니다. 가장 쉬운 예는 다항식입니다. x2x^2과 x3x^3은 더해지지 않지만 차수마다 칸을 둔 튜플로 읽으면 다항식의 덧셈이 되고, 곱도 됩니다. 다만 다항식은 차수에 상한이 없고 외대수는 nn에서 끝납니다.

이 구조 덕에 서로 다른 스페이스의 원소가 더해진 듯 보이는 식을 읽을 수 있습니다. (0,a,0,…)+(0,0,b,…)=(0,a,b,…)(0, a, 0, \ldots) + (0, 0, b, \ldots) = (0, a, b, \ldots)인 것을 줄여 "a+ba + b"라고 쓰는 것입니다. 이 덧셈 기호는 외대수라는 틀 안에서만 정의됩니다. 서로 다른 차수의 형식이 더해져 있으면 그 자리가 이런 튜플이라고 읽으면 됩니다.

대수 안에서 쐐기곱

두 원소의 곱은 선형성으로 계산합니다. 차원이 2인 외대수에서 (a,b,c)(a, b, c)와 (d,e,f)(d, e, f)를 쐐기합니다. a,da, d는 수, b,eb, e는 벡터, c,fc, f는 2-벡터입니다. 합으로 풀어 쓰면 아홉 개 쌍이 나오고 차수는 서로 더해집니다. 수와의 쐐기는 그냥 곱셈이고, 차수가 3을 넘는 쌍은 차원이 2라서 0입니다. 남는 것은 차수별로 이렇게 모입니다.

(a,b,c)∧(d,e,f)=(ad,  ae+db,  af+b∧e+dc)(a, b, c) \wedge (d, e, f) = \left( ad, \ \ a e + d b, \ \ a f + b \wedge e + d c \right)

0차 칸은 adad 하나, 1차 칸은 aeae와 dbdb, 2차 칸은 afaf, b∧eb \wedge e, dcdc입니다. b∧fb \wedge f나 c∧ec \wedge e처럼 차수가 3 이상이 되는 항은 모두 사라집니다. 합 모양으로 풀 필요 없이 “칸 사이에서 선형”이라고만 알아도 됩니다.

성분을 적는 세 가지 방법

QQ가 pp차 외부 거듭제곱의 원소일 때, 성분을 적는 방법이 셋 있습니다. p-형식 기준으로 적습니다.

Q=∑α<β<⋯<δQαβ⋯δ  dxα∧dxβ∧⋯∧dxδQ = \sum_{\alpha < \beta < \cdots < \delta} Q_{\alpha\beta\cdots\delta} \; dx^\alpha \wedge dx^\beta \wedge \cdots \wedge dx^\delta
Q=1p! Qαβ⋯δ  dxα∧dxβ∧⋯∧dxδQ = \frac{1}{p!} \, Q_{\alpha\beta\cdots\delta} \; dx^\alpha \wedge dx^\beta \wedge \cdots \wedge dx^\delta
Q=Qαβ⋯δ  dxα⊗dxβ⊗⋯⊗dxδQ = Q_{\alpha\beta\cdots\delta} \; dx^\alpha \otimes dx^\beta \otimes \cdots \otimes dx^\delta

첫 식은 번호가 오름차순인 열만 합하는 방식이고 이 성분을 엄격한 성분strict component이라 합니다. 기저 하나당 성분 하나라서 정확히 (np)\binom{n}{p}개이고, 기저의 수와 같습니다. 둘째 식은 모든 번호열을 돌며 합합니다. 번호를 맞바꾸면 쐐기곱과 성분이 모두 부호를 바꾸므로, 같은 기저의 같은 항이 p!p!번 나타납니다. 그래서 1p!\frac{1}{p!}를 곱해 바로잡습니다. 낭비처럼 보이지만 이렇게 쓰면 합 규약을 쓸 수 있어 편합니다. 셋째 식은 쐐기 대신 텐서곱 기저로 적은 것으로, 성분이 전부 반대칭이라서 더 낮은 차원의 부분 스페이스 안에 있는 원소를 큰 기저로 적게 되므로 가장 비효율적입니다.

Q. 둘째 식에서 번호가 겹치는 열은 어떻게 되나요?
A. 쐐기곱이 0이라서 기여하지 않습니다. 남는 것은 번호가 서로 다른 열이고, 그 열은 오름차순 열 하나를 재배열한 것입니다. 오름차순 열 하나마다 재배열이 p!p!개이고 모두 같은 값을 내서 p!p!배가 됩니다.

(예를 들어 n=3n = 3, p=2p = 2이면 둘째 식은 번호열 아홉 개를 돕니다. 이 가운데 (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (2,2)(2,2)는 0이고, 남은 여섯 개는 (0,1)(0,1)과 (1,0)(1,0), (0,2)(0,2)와 (2,0)(2,0), (1,2)(1,2)와 (2,1)(2,1)의 세 쌍입니다. 한 쌍은 같은 값이므로 12⋅2=1\tfrac{1}{2} \cdot 2 = 1이 되어 엄격한 성분의 합과 같습니다. 이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

아래 장난감에서 직접 보세요. 차원과 차수를 고르고 p-형식과 p-벡터를 바꿔 보면 기저 이름만 바뀌고 개수는 그대로입니다. 칸의 − + 로 엄격한 성분을 바꾸고 기저 이름을 누르면, 그 기저로 모이는 p!p!개의 번호열과 부호가 보입니다.

변환 방식과 다음 편

강의는 다음 편에서 성분의 변환을 다루겠다고 예고합니다. 셋째 식의 성분은 오래전에 배운 보통의 텐서 변환 규칙을 그대로 따릅니다. 엄격한 성분은 그 규칙을 따르지 않으며, 같은 대상을 다른 방식으로 적으면 변환 규칙도 바뀌고 그것이 텐서 밀도tensor density 개념으로 이어진다고 합니다.

(표준적으로 읽으면 이렇습니다. 엄격한 성분 Qαβ⋯δQ_{\alpha\beta\cdots\delta}도 같은 텐서 QQ의 성분이므로, 기저를 바꾸면 보통의 규칙을 오름차순 번호열로만 합한 꼴로 변합니다. 반대칭을 이용해 묶으면 변환 행렬의 p×pp \times p 소행렬식이 나오고, 지난 편의 소행렬식이 여기에 쓰입니다. 규칙의 모양이 달라 보일 뿐입니다. 이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

다음 편에서는 성분의 변환을 살펴봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 26 of the playlist, P-vectors and P-forms Recap. We reviewed determinants in the previous post, so this time we look back at the p-forms built so far and place beside them the p-vector, the same construction done with vectors instead of the dual space. It is a recap that fixes the parts of the earlier p-form lecture whose explanation fell short.

Notation: upper and lower indices

Fix one vector space V\V. We write Λp(V)\Lambda^p(\V) for the space built by wedging pp 1-forms, elements of the dual space of V\V, and Λp(V)\Lambda_p(\V) for the space built by wedging pp vectors of V\V. The position of the index does the distinguishing. In earlier posts I wrote ΛpV∗\Lambda^p \V^* with a star, and the lecture corrects that this is not the standard notation. It is the same reason a tensor product space of type (0,p)(0, p) is written with only V\V in it, as in Tqp(V)T^p_q(\V), instead of being spelled out with V∗\V^*. In this definition V\V is the anchor, and the index only says what we pile up from that anchor.

Λp(V) (p-forms),Λp(V) (p-vectors)\Lambda^p(\V) \ \text{(p-forms)}, \qquad \Lambda_p(\V) \ \text{(p-vectors)}

A word of caution about names. A p-vector of degree 4 can be called a 4-vector, but it has nothing to do with the 4-vector of relativity (the vector that bundles energy and momentum). To avoid the confusion the lecture uses a 5-vector as its example.

Q. Is a p-vector the same as the 4-vector of relativity?
A. No. The 4-vector of relativity is an ordinary vector with four components, whereas a p-vector is an element of the exterior power made by wedging pp vectors. Only the names overlap.

Simple p-vectors and components

A p-vector is built the same way as a p-form. The wedge v∧w∧x∧z∧qv \wedge w \wedge x \wedge z \wedge q of vectors v,w,x,z,qv, w, x, z, q is an element of the fifth exterior power Λ5(V)\Lambda_5(\V), and since it is written as one wedge product it is a simple 5-vector. A sum of two such simple ones, like v∧w∧x∧z∧q+a∧b∧c∧d∧ev \wedge w \wedge x \wedge z \wedge q + a \wedge b \wedge c \wedge d \wedge e, may not collapse into a single wedge product, and if it does not it is not simple. Usually we study only the simple ones. Everything is linear, so what we learn for simple ones extends to sums, and that sum is the addition inherited from the tensor product space, because Λp(V)\Lambda_p(\V) is a subspace of it.

Components come out the same way. A simple 3-vector expands like this.

u∧v∧w=uμvνwγ  eμ∧eν∧eγu \wedge v \wedge w = u^\mu v^\nu w^\gamma \; e_\mu \wedge e_\nu \wedge e_\gamma

The coefficient is the product of the components of u,v,wu, v, w, and the basis is the basis eμ∧eν∧eγe_\mu \wedge e_\nu \wedge e_\gamma of Λ3(V)\Lambda_3(\V). The only difference from a p-form is that the indices have moved up and down. Since a vector can be read as a map acting on elements of the dual space, a p-vector can also be read as a map that takes a p-form and returns a number.

The tower of exterior powers and their dimensions

From one vector space V\V we can build tensor product spaces endlessly, one for each (p,q)(p, q). Exterior powers are different. If V\V has dimension nn, there are only n+1n + 1 of them.

Λ0(V), Λ1(V), Λ2(V), …, Λn(V)\Lambda_0(\V), \ \Lambda_1(\V), \ \Lambda_2(\V), \ \ldots, \ \Lambda_n(\V)

From Λn+1(V)\Lambda_{n+1}(\V) on, everything is 0. Antisymmetry forces this. Many of the interesting facts in physics come out of this finite number of spaces. The lecture says it has not yet explained why these spaces matter, only what they are. The intention is to take the mystery out of the definitions for readers who meet the concept in other books.

Q. Why is Λn+1(V)\Lambda_{n+1}(\V) zero?
A. With dimension nn there are only nn basis vectors, so wedging n+1n + 1 of them puts at least one basis vector in twice. The wedge product is antisymmetric, so two copies of the same thing give 0. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

The dimension of each space is a binomial coefficient, the same for p-vectors and p-forms.

dim⁡Λp(V)=dim⁡Λp(V)=(np)=(nn−p)\dim \Lambda_p(\V) = \dim \Lambda^p(\V) = \binom{n}{p} = \binom{n}{n-p}

We have Λ0(V)=R\Lambda_0(\V) = \R, which becomes the smooth functions on spacetime when we treat scalar fields. Λ1(V)\Lambda_1(\V) is the vector space V\V itself and Λ1(V)\Lambda^1(\V) is the dual space. The two ends Λ0\Lambda_0 and Λn\Lambda_n are both one-dimensional, and Λ1\Lambda_1 and Λn−1\Lambda_{n-1} are both nn-dimensional. This symmetry, where front and back spaces have matching dimensions, underlies the Hodge star later.

Bases for n=3 and n=4

Let us write the bases starting from dimension 3, with numbers 0, 1, 2. In a coordinate basis, put ∂μ\partial_\mu where eμe_\mu stands.

p=0: 1,p=1: e0, e1, e2,p=2: e0∧e1, e0∧e2, e1∧e2,p=3: e0∧e1∧e2p = 0: \ 1, \qquad p = 1: \ e_0, \ e_1, \ e_2, \qquad p = 2: \ e_0 \wedge e_1, \ e_0 \wedge e_2, \ e_1 \wedge e_2, \qquad p = 3: \ e_0 \wedge e_1 \wedge e_2

The dimensions are 1,3,3,11, 3, 3, 1, symmetric front to back. For p-forms write dxμdx^\mu in the same place and everything else is the same. When the dimension grows by one to 4, there is one more e3e_3. The second degree grows to 6 with e0∧e3e_0 \wedge e_3, e1∧e3e_1 \wedge e_3, e2∧e3e_2 \wedge e_3 added, the third degree grows to 4 with e0∧e1∧e3e_0 \wedge e_1 \wedge e_3, e0∧e2∧e3e_0 \wedge e_2 \wedge e_3, e1∧e2∧e3e_1 \wedge e_2 \wedge e_3 added, and the fourth degree is the single e0∧e1∧e2∧e3e_0 \wedge e_1 \wedge e_2 \wedge e_3. The dimensions are 1,4,6,4,11, 4, 6, 4, 1, again symmetric.

That p-vectors and p-forms have the same structure is more than a matter of counts. The two pair with each other.

(Pairing a p-vector v1∧⋯∧vpv_1 \wedge \cdots \wedge v_p with a p-form α1∧⋯∧αp\alpha^1 \wedge \cdots \wedge \alpha^p gives the determinant det⁡(αi(vj))\det \left( \alpha^i(v_j) \right). The determinant from the previous post is used here. This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

The exterior algebra as a direct sum of (n+1)-slot tuples

The exterior algebra that bundles all degrees together is a direct sum.

Λ0(V)⊕Λ1(V)⊕⋯⊕Λn(V)\Lambda_0(\V) \oplus \Lambda_1(\V) \oplus \cdots \oplus \Lambda_n(\V)

Being a direct sum it is a vector space, and taking the wedge product as multiplication makes it an algebra. The elements of this set are tuples with n+1n + 1 slots. The lecture first says a tuple of dimension nn, then corrects to n+1n + 1 because of the degree-0 slot. The first slot holds an element of degree 0, the second of degree 1, and the last of degree nn, and everything after degree nn is treated as empty and cut off. Addition goes slot by slot. Each slot inherits its addition from its own vector space.

(a,b,c,d)+(e,f,g,h)=(a+e, b+f, c+g, d+h)(a, b, c, d) + (e, f, g, h) = (a + e, \ b + f, \ c + g, \ d + h)

An algebra graded by degree like this is called a graded algebra. The easiest example is polynomials. x2x^2 and x3x^3 cannot be added, but read as tuples with a slot for each degree it becomes polynomial addition, and multiplication works too. The difference is that polynomials have no upper bound on degree, while the exterior algebra ends at nn.

This structure lets us read expressions that look like elements of different spaces being added. Writing "a+ba + b" is shorthand for (0,a,0,…)+(0,0,b,…)=(0,a,b,…)(0, a, 0, \ldots) + (0, 0, b, \ldots) = (0, a, b, \ldots). This plus sign is defined only inside the frame of the exterior algebra. Whenever forms of different degrees seem to be added, read that place as such a tuple.

The wedge product inside the algebra

The product of two elements is computed by linearity. In an exterior algebra of dimension 2, wedge (a,b,c)(a, b, c) and (d,e,f)(d, e, f). Here a,da, d are numbers, b,eb, e are vectors, and c,fc, f are 2-vectors. Expanding as a sum gives nine pairs, and degrees add. A wedge with a number is plain multiplication, and any pair of degree above 2 is 0 because the dimension is 2. What remains collects by degree like this.

(a,b,c)∧(d,e,f)=(ad,  ae+db,  af+b∧e+dc)(a, b, c) \wedge (d, e, f) = \left( ad, \ \ a e + d b, \ \ a f + b \wedge e + d c \right)

The degree-0 slot is the single term adad, the degree-1 slot has aeae and dbdb, and the degree-2 slot has afaf, b∧eb \wedge e, dcdc. Terms like b∧fb \wedge f or c∧ec \wedge e, whose degree is 3 or more, all disappear. There is no need to expand into a sum: knowing that the product is “linear between slots” is enough.

Three ways to write components

When QQ is an element of the pp-th exterior power, there are three ways to write its components. I write them for p-forms.

Q=∑α<β<⋯<δQαβ⋯δ  dxα∧dxβ∧⋯∧dxδQ = \sum_{\alpha < \beta < \cdots < \delta} Q_{\alpha\beta\cdots\delta} \; dx^\alpha \wedge dx^\beta \wedge \cdots \wedge dx^\delta
Q=1p! Qαβ⋯δ  dxα∧dxβ∧⋯∧dxδQ = \frac{1}{p!} \, Q_{\alpha\beta\cdots\delta} \; dx^\alpha \wedge dx^\beta \wedge \cdots \wedge dx^\delta
Q=Qαβ⋯δ  dxα⊗dxβ⊗⋯⊗dxδQ = Q_{\alpha\beta\cdots\delta} \; dx^\alpha \otimes dx^\beta \otimes \cdots \otimes dx^\delta

The first sums only over lists whose numbers ascend, and these components are called strict components. There is one component per basis element, so there are exactly (np)\binom{n}{p} of them, the number of basis elements. The second runs over all index lists. Swapping two indices flips the sign of both the wedge product and the component, so the same term of the same basis element appears p!p! times. We multiply by 1p!\frac{1}{p!} to correct. It looks wasteful, but writing it this way lets us use the summation convention, which is convenient. The third writes the same thing in the tensor-product basis; since the components are fully antisymmetric, it writes an element of a lower-dimensional subspace with a larger basis, so it is the least efficient.

Q. What happens to the index lists with a repeated number in the second formula?
A. They contribute nothing, because the wedge product is 0. What remains are the lists with distinct numbers, and each is a rearrangement of one ascending list. Each ascending list has p!p! rearrangements, all giving the same value, which makes p!p! times as much.

(For example, with n=3n = 3 and p=2p = 2 the second formula runs over nine index lists. Among them (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (2,2)(2,2) give 0, and the remaining six form three pairs, (0,1)(0,1) and (1,0)(1,0), (0,2)(0,2) and (2,0)(2,0), (1,2)(1,2) and (2,1)(2,1). The two in a pair give equal values, so 12⋅2=1\tfrac{1}{2} \cdot 2 = 1 and the result equals the sum of the strict components. This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)

See it yourself in the toy below. Pick the dimension and the degree and switch between p-forms and p-vectors, and only the basis names change while the counts stay the same. Change the strict components with the − + buttons and tap a basis name, and you see the p!p! index lists that collect on that basis element, with their signs.

How components transform, and the next post

The lecture says it will treat the transformation of components in the next post. The components in the third formula follow the ordinary tensor transformation rule we learned long ago. The strict components do not follow it, and writing the same object in a different way changes the transformation rule, which leads to the concept of tensor densities, it says.

(Read in the standard way, it goes like this. The strict components Qαβ⋯δQ_{\alpha\beta\cdots\delta} are also components of the same tensor QQ, so under a change of basis they transform by the ordinary rule summed only over ascending index lists. Grouping terms by antisymmetry brings out the p×pp \times p minors of the transformation matrix, and the minors from the previous post are used here. Only the shape of the rule looks different. This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

In the next post we look at the transformation of components.

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