Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1

Tensor series, part 27: the permutation operator that shuffles inputs, the symmetric projection operator that averages over all permutations, the antisymmetric projection operator that averages with signs, and the generalized Kronecker delta that gives the components of the antisymmetric partTensor 시리즈 27편: 입력을 섞는 순열 연산자, 모든 순열을 평균 내는 대칭 사영 연산자, 부호를 붙여 평균 내는 반대칭 사영 연산자, 그리고 반대칭 부분의 성분을 구하는 일반화된 크로네커 델타

Tensor series텐서 시리즈Part 27 of 4040편 중 27번째
  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 27강 Formal development of p-forms and p-vectors Part I에 해당합니다. 지난 편에서 p-벡터와 p-형식을 되짚었으니, 이번 편과 다음 편에서는 같은 대상을 엄밀한 순서로 다시 세웁니다. 다른 책이 가는 길을 한 번 지나 두면 나중에 그 책을 만났을 때 두 번째가 되기 때문입니다. 이번 편은 그 준비로, 첨자를 섞는 연산자들을 정의합니다. 정의가 줄줄이 나오지만 끝에서 한곳으로 모입니다.

순열과 이름 붙이기

순열permutation σ\sigma는 번호 1,…,p1, \dots, p를 겹치지 않게 다시 늘어놓는 일대일 대응입니다. σ(1),σ(2),…,σ(p)\sigma(1), \sigma(2), \dots, \sigma(p)는 같은 번호들이 순서만 바뀐 줄이고, 이 편에서는 번호를 0이 아니라 1부터 셉니다. 번호 줄은 i1,i2,…,ipi_1, i_2, \dots, i_p로 쓰고 섞은 줄은 iσ(1),…,iσ(p)i_{\sigma(1)}, \dots, i_{\sigma(p)}로 씁니다. 첨자의 첨자가 생겨 번거롭지만 어느 표기에나 흠이 있어서 상황에 따라 바꿔 씁니다.

벡터 이름의 번호는 따로 짚습니다. 벡터 스페이스 V\V의 원소 v1,v2,…,vpv_1, v_2, \dots, v_p에서 아래 번호는 텐서 첨자가 아니라 이름의 일부입니다. 성분으로 풀면 v1=v1μeμv_1 = v_1^{\mu} e_\mu처럼 이름 번호와 성분 첨자가 한 식에 함께 나오며, 알파벳이 모자라서 이름에 번호를 붙일 뿐입니다.

순열 연산자

AA가 (0,p)(0, p) 텐서, 곧 첨자가 모두 공변인 텐서라고 합시다. AA는 벡터 pp개를 받아 실수를 냅니다. 순열 σ\sigma마다 새 텐서 PσAP_\sigma A를 이렇게 정의합니다.

(PσA)(v1,v2,…,vp)=A(vσ(1),vσ(2),…,vσ(p))(P_\sigma A)(v_1, v_2, \dots, v_p) = A(v_{\sigma(1)}, v_{\sigma(2)}, \dots, v_{\sigma(p)})

받은 벡터를 σ\sigma대로 섞어서 AA에 넣는 텐서입니다. AA는 입력 순서가 달라지면 일반적으로 값이 달라지므로 PσAP_\sigma A는 AA와 다른 텐서입니다.

예를 들어 p=2p = 2이고 A=a12 e1⊗e2A = a_{12} \, e^1 \otimes e^2처럼 성분이 하나뿐이며 a11=a21=a22=0a_{11} = a_{21} = a_{22} = 0이라 합시다. σ\sigma가 1과 2를 맞바꾸는 순열이면 이렇게 됩니다.

(PσA)(v1,v2)=A(v2,v1)=a12 e1(v2) e2(v1)=a12 (e2⊗e1)(v1,v2)(P_\sigma A)(v_1, v_2) = A(v_2, v_1) = a_{12} \, e^1(v_2) \, e^2(v_1) = a_{12} \, (e^2 \otimes e^1)(v_1, v_2)

그러므로 PσA=a12 e2⊗e1P_\sigma A = a_{12} \, e^2 \otimes e^1입니다. 입력을 섞은 것과 기저의 곱 순서를 섞은 것이 같은 결과입니다. 성분으로 쓰면 이렇습니다.

(PσA)i1…ip=Aiσ(1)…iσ(p)(P_\sigma A)_{i_1 \dots i_p} = A_{i_{\sigma(1)} \dots i_{\sigma(p)}}

위 예에서는 (PσA)21=A12=a12(P_\sigma A)_{21} = A_{12} = a_{12}입니다. 두 번 섞는 것도 다시 한 번 섞는 것이고, π\pi를 먼저 하고 σ\sigma를 나중에 하면 PσPπ=PσπP_\sigma P_\pi = P_{\sigma\pi}입니다. 여기서 (σπ)(k)=σ(π(k))(\sigma\pi)(k) = \sigma(\pi(k))입니다. 이 곱은 아래 계산에서 계속 쓰입니다.

Q. 입력을 섞는 것과 성분 첨자를 섞는 것 중 PσP_\sigma는 무엇을 하나요?
A. 둘은 같은 일입니다. 정의는 입력 쪽에서 하고, 성분으로 풀면 첨자 쪽에서 일어납니다. 위 예에서 e1(v2) e2(v1)e^1(v_2) \, e^2(v_1)의 순서를 바꿔 읽으면 기저가 e2⊗e1e^2 \otimes e^1로 바뀌고, 성분 a12a_{12}는 자리가 2121로 옮겨 갑니다.

대칭 사영 연산자

텐서 TT가 완전 공변(또는 완전 반변)일 때, 가능한 모든 순열을 한 번씩 적용해 평균을 낸 것을 사영 연산자projection operator SpS_p라 합니다. 강의는 처음에 대칭화 연산자라고 불렀다가 사영 연산자로 고쳐 부릅니다.

SpT=1p!∑πPπTS_p T = \frac{1}{p!} \sum_{\pi} P_\pi T

성분은 괄호로 표시합니다. 괄호는 이 성분이 TT 자신이 아니라 SpTS_p T의 것이라는 표지입니다.

T(i1…ip)=1p!∑πTiπ(1)…iπ(p)T_{(i_1 \dots i_p)} = \frac{1}{p!} \sum_{\pi} T_{i_{\pi(1)} \dots i_{\pi(p)}}

6차원 공간에서 번호 줄 1,3,1,2,5,61, 3, 1, 2, 5, 6의 성분을 구하는 계산을 따라가 봅니다. 먼저 항등 순열이면 T131256T_{131256}이고, 처음 두 개만 맞바꾸면 T311256T_{311256}, 둘째와 셋째만 맞바꾸면 T113256T_{113256}입니다. 이렇게 6!=7206! = 720개의 순열을 모두 더하고 720으로 나눕니다. 이것은 형식이 아니라 그냥 텐서라서 같은 번호가 겹쳐도 됩니다.

번호 줄을 재배열한 3,1,1,2,5,63, 1, 1, 2, 5, 6을 같은 방식으로 계산해도 더하는 항들은 같은 항들의 재배열이어서 값이 똑같습니다. 달라지는 것은 곁에 붙는 기저 e3⊗e1⊗⋯e^3 \otimes e^1 \otimes \cdots뿐입니다. 이것이 대칭 텐서입니다. 반면 1,3,3,2,5,61, 3, 3, 2, 5, 6은 앞의 재배열이 아니므로 독립된 성분이 따로 생깁니다.

이 연산의 중요한 성질은 SpTS_p T에 순열을 적용해도 변하지 않는다는 것입니다.

PσSpT=1p!∑πPσπT=SpTP_\sigma S_p T = \frac{1}{p!} \sum_\pi P_{\sigma\pi} T = S_p T

π\pi가 모든 순열을 훑으면 σπ\sigma\pi도 모든 순열을 한 번씩 훑기 때문입니다. 주의할 것은 PσT=TP_\sigma T = T가 성립한다는 말이 아니라는 점입니다. 바뀌지 않는 것은 TT의 대칭 부분입니다. (사영이라는 이름이 붙는 까닭은 SpS_p를 두 번 적용해도 한 번과 같기 때문이라고 이해할 수 있습니다. 위 식에서 바로 따라 나오는 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

반대칭 사영 연산자

반대칭 쪽은 부호가 붙어서 더 까다롭습니다. 합이 아니라 행렬식 꼴이 나옵니다. 정의는 이렇습니다.

KpT=1p!∑σε(σ) PσTK_p T = \frac{1}{p!} \sum_{\sigma} \varepsilon(\sigma) \, P_\sigma T

ε(σ)\varepsilon(\sigma)는 레비치비타 기호로, σ\sigma가 짝수 번의 맞바꿈이면 +1+1, 홀수 번이면 −1-1입니다. 반대칭 텐서antisymmetric tensor QQ는 순열을 적용하면 부호만 곱해지는 텐서로 정의합니다.

PσQ=ε(σ) Q곧Q(vσ(1),…,vσ(p))=ε(σ) Q(v1,…,vp)P_\sigma Q = \varepsilon(\sigma) \, Q \qquad \text{곧} \qquad Q(v_{\sigma(1)}, \dots, v_{\sigma(p)}) = \varepsilon(\sigma) \, Q(v_1, \dots, v_p)

KpK_p가 하는 일이 이 정의와 맞아야 합니다. 두 가지를 확인합니다. 첫째, 이미 반대칭인 QQ에는 아무 일도 하지 않아야 합니다.

KpQ=1p!∑σε(σ)ε(σ) Q=1p!⋅p!  Q=QK_p Q = \frac{1}{p!} \sum_\sigma \varepsilon(\sigma) \varepsilon(\sigma) \, Q = \frac{1}{p!} \cdot p! \; Q = Q

ε(σ)2=1\varepsilon(\sigma)^2 = 1이고 순열이 p!p!개라서 QQ가 p!p!번 더해집니다. 앞의 1/p!1/p!는 이 결과가 QQ 그대로 나오도록 붙인 정규화입니다. 둘째, 어떤 TT에서 시작해도 KpTK_p T는 반대칭이어야 합니다.

PσKpT=1p!∑πε(π)PσπT=ε(σ) 1p!∑πε(σπ)PσπT=ε(σ) KpTP_\sigma K_p T = \frac{1}{p!} \sum_\pi \varepsilon(\pi) P_{\sigma\pi} T = \varepsilon(\sigma) \, \frac{1}{p!} \sum_\pi \varepsilon(\sigma\pi) P_{\sigma\pi} T = \varepsilon(\sigma) \, K_p T

가운데 등호는 ε(π)=ε(σ) ε(σπ)\varepsilon(\pi) = \varepsilon(\sigma) \, \varepsilon(\sigma\pi)를 쓴 것이고, 마지막은 σπ\sigma\pi가 모든 순열을 한 번씩 훑는다는 것을 쓴 것입니다. 두 확인을 합치면 KpK_p는 반대칭 텐서의 스페이스 위로의 사영입니다. 그 스페이스의 모든 원소는 자기 자신의 반대칭 부분이라서, 반대칭 텐서 가운데 어떤 텐서의 반대칭 부분이 아닌 것은 없습니다.

Q. ε(π)=ε(σ) ε(σπ)\varepsilon(\pi) = \varepsilon(\sigma) \, \varepsilon(\sigma\pi)는 왜 성립하나요?
A. 순열의 부호는 곱해집니다. ε(σπ)=ε(σ) ε(π)\varepsilon(\sigma\pi) = \varepsilon(\sigma) \, \varepsilon(\pi)인데, 맞바꿈 횟수가 더해지기 때문입니다. 양변에 ε(σ)\varepsilon(\sigma)를 곱하고 ε(σ)2=1\varepsilon(\sigma)^2 = 1을 쓰면 위 식이 됩니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

아래 장난감은 3차원에서 (0,2)(0, 2) 또는 (0,3)(0, 3) 텐서의 성분을 정하고 PσTP_\sigma T, SpTS_p T, KpTK_p T를 계산해 보여 줍니다. 칸을 눌러 값을 바꾸고 순열을 골라 보세요. 어떤 TT에서도 PσP_\sigma를 적용한 SpTS_p T는 그대로이고 KpTK_p T는 부호 ε(σ)\varepsilon(\sigma)만 곱해집니다.

Q. TT를 SpTS_p T와 KpTK_p T의 합으로 쓸 수 있나요?
A. p=2p = 2면 됩니다. T(ij)+T[ij]=TijT_{(ij)} + T_{[ij]} = T_{ij}입니다. p=3p = 3부터는 일반적으로 안 됩니다. T=e1⊗e1⊗e2T = e^1 \otimes e^1 \otimes e^2이면 같은 번호가 겹쳐서 K3T=0K_3 T = 0이지만 S3T≠TS_3 T \neq T입니다. 대칭도 반대칭도 아닌 부분이 따로 남기 때문입니다. (이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

반대칭 부분의 성분

반대칭 부분의 성분은 대괄호로 표시합니다. 대괄호는 KpTK_p T의 성분이라는 표지이고, 괄호는 SpTS_p T의 성분이었습니다.

KpT=T[j1…jp]  ej1⊗⋯⊗ejp,T[j1…jp]=1p! δj1…jpi1…ip Ti1…ipK_p T = T_{[j_1 \dots j_p]} \; e^{j_1} \otimes \cdots \otimes e^{j_p}, \qquad T_{[j_1 \dots j_p]} = \frac{1}{p!} \, \delta^{i_1 \dots i_p}_{j_1 \dots j_p} \, T_{i_1 \dots i_p}

여기서 δj1…jpi1…ip\delta^{i_1 \dots i_p}_{j_1 \dots j_p}는 앞서 배운 일반화된 크로네커 델타generalized Kronecker delta입니다. 위 번호 줄이 아래 번호 줄의 순열이면 그 순열의 부호이고, 아니면 0입니다. 합의 모든 순열에 붙던 부호 ε\varepsilon를 이 기호가 한꺼번에 고릅니다. 그래서 위 번호가 일치하는 항만 남고 나머지는 사라집니다. 정의에 따라 1/p!1/p!를 델타 안에 넣는 책도 있어서, 이 글에서는 δ\delta를 부호와 0만 내는 것으로 두고 1/p!1/p!를 밖에 적었습니다.

실제로는 서로 다른 번호 줄을 정하고 구합니다. 예컨대 j=(1,3,4,2,6)j = (1, 3, 4, 2, 6)으로 정하면 이 번호가 곧 계산할 기저를 고르는 것이고, 나머지 ii 첨자는 모두 합해 버립니다. 이것이 정의의 “모든 순열에 대한 합”을 한 줄로 쓴 것입니다. 같은 번호가 jj 안에 겹치면 델타가 0을 내서 성분이 0이 됩니다.

같은 텐서, 두 기저

위 식은 반대칭 부분을 텐서곱 기저 ej1⊗⋯⊗ejpe^{j_1} \otimes \cdots \otimes e^{j_p}로 쓴 것입니다. KpTK_p T는 여전히 (0,p)(0, p) 텐서 스페이스의 원소이지만 반대칭이라서 그 안의 작은 부분 스페이스, 곧 pp-형식의 스페이스에 놓입니다. 성분이 서로 부호만 다르거나 0이라 이 기저는 군더더기가 많습니다. 같은 항을 묶으면 엄격한 기저로 다시 쓸 수 있습니다.

ej1∧ej2∧⋯∧ejp,j1<j2<⋯<jpe^{j_1} \wedge e^{j_2} \wedge \cdots \wedge e^{j_p}, \qquad j_1 < j_2 < \cdots < j_p

같은 텐서를 다른 기저로 쓴 것입니다. 이 구분은 다음 편들에서 중요합니다. 지금까지 배운 텐서의 변환 규칙은 텐서곱 기저의 성분에 대한 것이고, 엄격한 기저의 성분은 다르게 변하기 때문입니다.

이번 편에서 세 연산자를 정의했습니다. 순열 연산자 PσP_\sigma, 대칭 사영 연산자 SpS_p, 반대칭 사영 연산자 KpK_p입니다. 다음 편에서는 이것으로 쐐기곱을 정식으로 정의합니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 27 of the playlist, Formal development of p-forms and p-vectors Part I. Having reviewed p-vectors and p-forms in the previous post, in this post and the next we rebuild the same objects in a strict order. If we walk the road other books take once, it will be our second time when we meet that book later. This post is the preparation, defining the operators that shuffle indices. The definitions come one after another, but they gather in one place at the end.

Permutations and naming

A permutation σ\sigma is a one-to-one correspondence that rearranges the numbers 1,…,p1, \dots, p without overlap. σ(1),σ(2),…,σ(p)\sigma(1), \sigma(2), \dots, \sigma(p) is the same numbers in a changed order, and in this post we count numbers from 1, not 0. A row of indices is written i1,i2,…,ipi_1, i_2, \dots, i_p and the shuffled row iσ(1),…,iσ(p)i_{\sigma(1)}, \dots, i_{\sigma(p)}. Subscripts of subscripts appear, which is clumsy, but every notation has a flaw, so we switch between them as the situation calls for.

The number in a vector’s name deserves its own remark. For elements v1,v2,…,vpv_1, v_2, \dots, v_p of a vector space V\V, the lower number is part of the name, not a tensor index. Written in components, as in v1=v1μeμv_1 = v_1^{\mu} e_\mu, the name number and the component index appear together in one expression, and we number the names only because the alphabet runs short.

The permutation operator

Let AA be a (0,p)(0, p) tensor, that is, a tensor whose indices are all covariant. AA takes pp vectors and returns a real number. For each permutation σ\sigma we define a new tensor PσAP_\sigma A as follows.

(PσA)(v1,v2,…,vp)=A(vσ(1),vσ(2),…,vσ(p))(P_\sigma A)(v_1, v_2, \dots, v_p) = A(v_{\sigma(1)}, v_{\sigma(2)}, \dots, v_{\sigma(p)})

It is the tensor that shuffles the vectors it receives according to σ\sigma and feeds them to AA. In general AA gives a different value when the order of its inputs changes, so PσAP_\sigma A is a different tensor from AA.

For example let p=2p = 2 and A=a12 e1⊗e2A = a_{12} \, e^1 \otimes e^2, with a single component and a11=a21=a22=0a_{11} = a_{21} = a_{22} = 0. If σ\sigma is the permutation that swaps 1 and 2, we get this.

(PσA)(v1,v2)=A(v2,v1)=a12 e1(v2) e2(v1)=a12 (e2⊗e1)(v1,v2)(P_\sigma A)(v_1, v_2) = A(v_2, v_1) = a_{12} \, e^1(v_2) \, e^2(v_1) = a_{12} \, (e^2 \otimes e^1)(v_1, v_2)

So PσA=a12 e2⊗e1P_\sigma A = a_{12} \, e^2 \otimes e^1. Shuffling the inputs and shuffling the order of the basis product give the same result. In components it reads as follows.

(PσA)i1…ip=Aiσ(1)…iσ(p)(P_\sigma A)_{i_1 \dots i_p} = A_{i_{\sigma(1)} \dots i_{\sigma(p)}}

In the example, (PσA)21=A12=a12(P_\sigma A)_{21} = A_{12} = a_{12}. Shuffling twice is again one shuffle: doing π\pi first and σ\sigma afterwards gives PσPπ=PσπP_\sigma P_\pi = P_{\sigma\pi}, where (σπ)(k)=σ(π(k))(\sigma\pi)(k) = \sigma(\pi(k)). This product is used again and again in the computations below.

Q. Does PσP_\sigma shuffle the inputs or the component indices?
A. They are the same thing. The definition acts on the inputs, and written in components it happens on the indices. In the example, reading e1(v2) e2(v1)e^1(v_2) \, e^2(v_1) in the other order turns the basis into e2⊗e1e^2 \otimes e^1, and the component a12a_{12} moves to the place 2121.

The symmetric projection operator

For a tensor TT that is fully covariant (or fully contravariant), applying every possible permutation once and averaging defines the projection operator SpS_p. The lecture first calls it the symmetrizer and then corrects the name to projection operator.

SpT=1p!∑πPπTS_p T = \frac{1}{p!} \sum_{\pi} P_\pi T

Its components are marked with parentheses. The parentheses signal that this component belongs to SpTS_p T, not to TT itself.

T(i1…ip)=1p!∑πTiπ(1)…iπ(p)T_{(i_1 \dots i_p)} = \frac{1}{p!} \sum_{\pi} T_{i_{\pi(1)} \dots i_{\pi(p)}}

Let us follow the computation of the component for the index row 1,3,1,2,5,61, 3, 1, 2, 5, 6 in six dimensions. The identity permutation gives T131256T_{131256}, swapping only the first two gives T311256T_{311256}, and swapping only the second and third gives T113256T_{113256}. We add all 6!=7206! = 720 permutations this way and divide by 720. This is an ordinary tensor and not a form, so repeated indices are allowed.

If we compute the rearranged row 3,1,1,2,5,63, 1, 1, 2, 5, 6 the same way, the terms being added are a rearrangement of the same terms, so the value is identical. Only the basis attached to it changes, to e3⊗e1⊗⋯e^3 \otimes e^1 \otimes \cdots. This is what a symmetric tensor is. On the other hand 1,3,3,2,5,61, 3, 3, 2, 5, 6 is not a rearrangement of the earlier row, so it gives an independent component.

The important property of this operation is that SpTS_p T does not change when a permutation is applied.

PσSpT=1p!∑πPσπT=SpTP_\sigma S_p T = \frac{1}{p!} \sum_\pi P_{\sigma\pi} T = S_p T

This is because when π\pi runs over all permutations, σπ\sigma\pi also runs over all permutations once. Note that this does not say PσT=TP_\sigma T = T. What stays unchanged is the symmetric part of TT. (The name projection can be understood as coming from the fact that applying SpS_p twice equals applying it once. This follows directly from the formula above and was not covered in the lecture.)

The antisymmetric projection operator

The antisymmetric side is trickier because signs come in. It leads to determinants rather than plain sums. The definition is this.

KpT=1p!∑σε(σ) PσTK_p T = \frac{1}{p!} \sum_{\sigma} \varepsilon(\sigma) \, P_\sigma T

ε(σ)\varepsilon(\sigma) is the Levi-Civita symbol: +1+1 if σ\sigma is an even number of swaps and −1-1 if odd. An antisymmetric tensor QQ is defined as a tensor that only picks up a sign when a permutation is applied.

PσQ=ε(σ) Qthat isQ(vσ(1),…,vσ(p))=ε(σ) Q(v1,…,vp)P_\sigma Q = \varepsilon(\sigma) \, Q \qquad \text{that is} \qquad Q(v_{\sigma(1)}, \dots, v_{\sigma(p)}) = \varepsilon(\sigma) \, Q(v_1, \dots, v_p)

What KpK_p does must agree with this definition. We check two things. First, it must do nothing to an already antisymmetric QQ.

KpQ=1p!∑σε(σ)ε(σ) Q=1p!⋅p!  Q=QK_p Q = \frac{1}{p!} \sum_\sigma \varepsilon(\sigma) \varepsilon(\sigma) \, Q = \frac{1}{p!} \cdot p! \; Q = Q

Since ε(σ)2=1\varepsilon(\sigma)^2 = 1 and there are p!p! permutations, QQ is added p!p! times. The factor 1/p!1/p! in front is the normalization that makes the result come out as QQ itself. Second, starting from any TT, the result KpTK_p T must be antisymmetric.

PσKpT=1p!∑πε(π)PσπT=ε(σ) 1p!∑πε(σπ)PσπT=ε(σ) KpTP_\sigma K_p T = \frac{1}{p!} \sum_\pi \varepsilon(\pi) P_{\sigma\pi} T = \varepsilon(\sigma) \, \frac{1}{p!} \sum_\pi \varepsilon(\sigma\pi) P_{\sigma\pi} T = \varepsilon(\sigma) \, K_p T

The middle equality uses ε(π)=ε(σ) ε(σπ)\varepsilon(\pi) = \varepsilon(\sigma) \, \varepsilon(\sigma\pi), and the last uses that σπ\sigma\pi runs through every permutation once. Together the two checks say that KpK_p is a projection onto the space of antisymmetric tensors. Every element of that space is its own antisymmetric part, so there is no antisymmetric tensor that fails to be the antisymmetric part of some tensor.

Q. Why does ε(π)=ε(σ) ε(σπ)\varepsilon(\pi) = \varepsilon(\sigma) \, \varepsilon(\sigma\pi) hold?
A. Signs of permutations multiply. ε(σπ)=ε(σ) ε(π)\varepsilon(\sigma\pi) = \varepsilon(\sigma) \, \varepsilon(\pi), because the numbers of swaps add. Multiplying both sides by ε(σ)\varepsilon(\sigma) and using ε(σ)2=1\varepsilon(\sigma)^2 = 1 gives the formula above. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

The toy below fixes the components of a (0,2)(0, 2) or (0,3)(0, 3) tensor in three dimensions and computes PσTP_\sigma T, SpTS_p T and KpTK_p T. Tap a cell to change its value and pick a permutation. For any TT, SpTS_p T stays put under PσP_\sigma, and KpTK_p T only picks up the sign ε(σ)\varepsilon(\sigma).

Q. Can we write TT as the sum of SpTS_p T and KpTK_p T?
A. For p=2p = 2 yes: T(ij)+T[ij]=TijT_{(ij)} + T_{[ij]} = T_{ij}. From p=3p = 3 on, generally not. For T=e1⊗e1⊗e2T = e^1 \otimes e^1 \otimes e^2 a repeated index gives K3T=0K_3 T = 0 but S3T≠TS_3 T \neq T, because a part that is neither symmetric nor antisymmetric is left over. (This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Components of the antisymmetric part

The components of the antisymmetric part are marked with square brackets. The brackets signal a component of KpTK_p T, while the parentheses were for SpTS_p T.

KpT=T[j1…jp]  ej1⊗⋯⊗ejp,T[j1…jp]=1p! δj1…jpi1…ip Ti1…ipK_p T = T_{[j_1 \dots j_p]} \; e^{j_1} \otimes \cdots \otimes e^{j_p}, \qquad T_{[j_1 \dots j_p]} = \frac{1}{p!} \, \delta^{i_1 \dots i_p}_{j_1 \dots j_p} \, T_{i_1 \dots i_p}

Here δj1…jpi1…ip\delta^{i_1 \dots i_p}_{j_1 \dots j_p} is the generalized Kronecker delta we learned earlier. If the upper row of indices is a permutation of the lower row it equals the sign of that permutation, and otherwise it is 0. This symbol picks the sign ε\varepsilon that was attached to each permutation in the sum, all at once. So only the terms whose upper indices match survive and the rest vanish. Some books put the 1/p!1/p! inside the delta by definition, so in this post δ\delta is taken to give only signs and zeros, and the 1/p!1/p! is written outside.

In practice we choose a row of distinct indices and compute. For example if we set j=(1,3,4,2,6)j = (1, 3, 4, 2, 6), these numbers pick the basis element we are computing, and all the ii indices are summed over. This is the “sum over all permutations” of the definition written in one line. If a number repeats within jj, the delta gives 0 and so the component is 0.

One tensor, two bases

The formula above writes the antisymmetric part in the tensor product basis ej1⊗⋯⊗ejpe^{j_1} \otimes \cdots \otimes e^{j_p}. KpTK_p T is still an element of the space of (0,p)(0, p) tensors, but because it is antisymmetric it sits in a smaller subspace, the space of pp-forms. Its components differ only by sign or are 0, so this basis is full of redundancy. Grouping equal terms lets us rewrite it in the strict basis.

ej1∧ej2∧⋯∧ejp,j1<j2<⋯<jpe^{j_1} \wedge e^{j_2} \wedge \cdots \wedge e^{j_p}, \qquad j_1 < j_2 < \cdots < j_p

This is the same tensor written in a different basis. The distinction matters in the coming posts, because the transformation rule for tensors we have learned is for components in the tensor product basis, and components in the strict basis change differently.

In this post we defined three operators: the permutation operator PσP_\sigma, the symmetric projection operator SpS_p, and the antisymmetric projection operator KpK_p. In the next post we use them to define the wedge product formally.

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