Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
Tensor series, part 29: how the components of a (0, p) tensor change under a change of coordinates, a polar-coordinate example, and why the single component of a 2-form in the strict basis is multiplied by a determinantTensor 시리즈 29편: 좌표를 바꿀 때 (0, p) 텐서의 성분이 변하는 규칙, 극좌표 예제, 엄격한 기저에서 2-형식의 단 하나뿐인 성분이 행렬식배가 되는 까닭
Tensor series텐서 시리즈Part 29 of 4040편 중 29번째
- 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
- 어느 기저로 쓰느냐에 따라 규칙이 다릅니다
- 좌표를 바꾸면 행렬이 둘 생깁니다
- 예: 2차원 극좌표
- (0, 2) 텐서를 규칙대로 옮기기
- 엄격한 기저에서는 성분이 하나뿐입니다
- 왜 행렬식이 곱해지나
- 이번 규칙은 p가 차원과 같을 때만 맞습니다
- The rule depends on the basis you write in
- A change of coordinates produces two matrices
- An example: polar coordinates in two dimensions
- Moving a (0, 2) tensor by the rule
- In the strict basis there is only one component
- Why a determinant is multiplied
- This rule holds only when p equals the dimension
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 29강 Transformations of tensors and p-forms (part review)에 해당합니다. 지난 편에서 쐐기곱의 정식 정의와 소행렬식을 다뤘으니, 이번 편에서는 좌표를 바꿀 때 텐서와 p-형식의 성분이 어떻게 변하는지 봅니다. 강의는 p-형식으로 설명하지만 p-벡터도 분석이 같습니다. 제목에 review가 붙은 대로 앞부분은 복습이고, 새로 얻는 것은 엄격한 기저의 성분이 다른 규칙으로 변한다는 사실입니다.
어느 기저로 쓰느냐에 따라 규칙이 다릅니다
p-형식은 텐서이므로 변환 규칙은 이미 압니다. 쌍대 기저의 텐서곱 이 기저이고, 이 기저는 역행렬로 변하며 그 위의 성분은 공변 행렬로 변합니다. 기저 개를 모두 쓰는 한 일반 텐서와 다를 것이 없습니다. 그런데 p-형식은 완전 반대칭이라 성분이 서로 묶여 있어서, 실제로는 차원이 인 부분 공간에 삽니다. 그 공간의 기저로는 엄격한 기저 ()를 씁니다. 이 기저로 쓴 성분은 위의 규칙을 따르지 않습니다. 같은 텐서를 두 기저로 써서 두 규칙이 어떻게 맞물리는지 보는 것이 이번 편의 목표입니다.
좌표를 바꾸면 행렬이 둘 생깁니다
시공간의 점마다 접공간 가 있고 그 쌍대 공간이 있습니다. 좌표 기저는 이고 쌍대 기저는 입니다. 새 좌표(프라임)가 옛 좌표의 매끄러운 함수로 주어지고 그 반대도 성립하면, 편미분으로 행렬 두 개를 만듭니다.
기저 벡터를 옮기는 쪽을 공변 행렬이라 부르고, 여기서는 를 그렇게 잡습니다.
성분은 기저와 반대 방향으로 변합니다. 텐서 의 아래 첨자 성분은 기저를 따라 로 변하고, 위 첨자 성분은 로 변합니다.
기저와 성분을 합치면 와 이 곱해져 단위행렬이 되므로 텐서 자체는 그대로입니다. 물리책은 이 규칙을 텐서의 정의로 삼아서, 이 식을 따르지 않는 것은 텐서라 부르지 않습니다. 이 행렬은 점마다 다른 접공간에 하나씩 필요하므로 자체가 좌표의 함수입니다.
Q. 두 행렬 중 어느 쪽을 공변 행렬이라 부르는지는 정해진 것인가요?
A. 약속입니다. 기저 벡터를 옮기는 행렬을 공변 행렬이라 하고, 어느 방향으로 바꾸고 싶은지에 따라 과 중 하나를 고릅니다. 강의는 옛 좌표에서 새 좌표로 가는 쪽이 자연스럽다며 를 공변 행렬로 잡습니다.
예: 2차원 극좌표
2차원 시공간에서 옛 좌표 , 새 좌표 로 잡습니다. 강의는 새 좌표에도 을 쓰지만 여기서는 읽기 쉽게 로 적습니다.
공변 행렬은 를 로 미분해 얻습니다. 행이 , 열이 입니다.
오른쪽처럼 옛 좌표로 다시 적는 이유가 있습니다. 변환하려는 텐서의 성분이 옛 좌표의 함수로 주어져 있으니 같은 점에서 도 옛 좌표로 알아야 곱할 수 있기 때문입니다. 강의는 를 미분해 이 꼴을 얻고 삼각함수로 다듬었는데, 이 정리에서 초월함수는 모두 사라집니다. 역행렬은 반대로 를 로 미분한 행렬입니다.
(0, 2) 텐서를 규칙대로 옮기기
옮길 텐서를 하나 고릅니다.
텐서이므로 를 쓰면 됩니다. 살아남는 항은 과 둘뿐입니다.
같은 방식으로 이고, 대각 성분은 처럼 두 항이 지워져 0입니다. 결과는 이렇습니다.
Q. 옛 좌표에서 0이던 성분은 새 좌표에서도 0인가요?
A. 아닙니다. 일반 텐서는 새 좌표에서 0이 아닌 성분이 생깁니다. 여기서 대각 성분이 0으로 남은 것은 이어서 두 항이 정확히 지워진 덕분입니다. 성분은 좌표를 바꾸면 크게 달라질 수 있는 변덕스러운 수입니다.
엄격한 기저에서는 성분이 하나뿐입니다
위의 는 쐐기곱이기도 합니다. 정의에서 이므로 입니다. 2차원에서 2-형식의 공간은 차원이 이라 엄격한 기저 원소가 하나뿐이고, 모든 2-형식은 상수배 입니다. 의 성분은 입니다. 앞의 결과를 같은 꼴로 읽으면 새 기저에서는 , 곧 입니다.
텐서곱 기저에서는 성분이 네 개이고(만 0이 아닙니다), 변환은 를 두 번 곱하는 규칙입니다. 엄격한 기저에서는 성분이 하나이고 그 변환은 이렇습니다.
같은 텐서인데 기저에 따라 성분의 규칙이 다릅니다. 엄격한 기저로 쓴 성분은 위 텐서 규칙을 따르지 않으므로 강의의 말로는 텐서가 아니라 다른 것이고, 보통 텐서 밀도라고 부르며 다른 이름이 될 수도 있다고 합니다. 이름은 다음 편 이후로 미룹니다. 3차원도 같아서 모든 3-형식이 꼴이므로 상수 가 배가 됩니다.
아래 장난감에서 점 를 끌면 그 점의 와 를 볼 수 있고, 의 네 성분을 바꾸면 이 규칙대로 계산됩니다. 반대칭 부분의 성분 하나 는 언제나 배가 되고, 대칭 부분은 이 규칙을 따르지 않습니다.
Q. 극좌표가 아닌 다른 좌표 변환에서도 곱해지는 수가 인가요?
A. 인 형식이라면 어떤 매끄러운 좌표 변환이든 같습니다. 곱해지는 수는 의 행렬식, 곧 야코비 행렬식입니다. 강의는 3차원에서 같은 방식으로 해도 같은 규칙이 나온다고 말합니다.
왜 행렬식이 곱해지나
강의가 따로 설명하지는 않지만 그림으로 읽을 수 있습니다. 새 기저 가 이루는 평행사변형의 넓이가 이고, 옛 기저 이 이루는 정사각형은 넓이가 1입니다. 2-형식 은 두 벡터가 이루는 방향 있는 넓이를 재는 장치입니다. 지난 편의 짝짓기 규칙을 쓰면 새 기저 두 벡터를 넣은 값이 곧 입니다.
는 새 기저의 성분 이기도 하므로, 넓이가 배가 되는 만큼 성분이 배가 됩니다. (이 설명은 지난 편의 짝짓기 규칙을 적용해 본 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
이번 규칙은 p가 차원과 같을 때만 맞습니다
강의가 마지막에 강조하는 한계입니다. 지금까지 본 배는 이어서 엄격한 기저 원소가 하나뿐일 때만 성립합니다. 예컨대 이면 개의 성분이 있어서 다른 규칙을 따릅니다. 일반 에서 엄격한 기저 성분이 어떻게 변하는지는 다음 편에서 다룹니다. 지난 편의 소행렬식 식에서 미루어 보면 의 소행렬식이 나오리라 짐작할 수 있습니다. 한 원소만 있는 에서는 소행렬이 전체라서 로 보입니다. (이 짐작은 지난 편의 식에서 이어 본 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 다음 편에서는 이 일반 규칙을 봅니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 29 of the playlist, Transformations of tensors and p-forms (part review). The previous post covered the formal definition of the wedge product and minors, so this time we look at how the components of tensors and p-forms change under a change of coordinates. The lecture explains it with p-forms, but the analysis for p-vectors is the same. As the title says review, the first part is review, and what we newly gain is that components in the strict basis change by a different rule.
The rule depends on the basis you write in
A p-form is a tensor, so we already know its transformation rule. The tensor products of dual basis vectors form a basis, this basis changes with the inverse matrix, and the components on it change with the covariant matrix. As long as we use all basis elements, it is no different from a general tensor. But a p-form is totally antisymmetric, so its components are tied to each other, and in fact it lives in a subspace of dimension . As the basis of that space we use the strict basis (). Components written in this basis do not follow the rule above. The goal of this post is to write the same tensor in the two bases and see how the two rules fit together.
A change of coordinates produces two matrices
At each point of spacetime there is a tangent space and its dual. The coordinate basis is and the dual basis is . If the new (primed) coordinates are given as smooth functions of the old ones and the reverse also holds, partial derivatives give two matrices.
The one that moves the basis vectors is called the covariant matrix, and here I take to be that.
Components change in the opposite direction from the basis. For a tensor , the lower-index components follow the basis and change with , and upper-index components change with .
Putting basis and components together, and multiply to the identity, so the tensor itself is unchanged. Physics books take this rule as the definition of a tensor, and call something that does not obey this formula not a tensor. One such matrix is needed in each tangent space, one per point, so itself is a function of the coordinates.
Q. Is it fixed which of the two matrices is called the covariant matrix?
A. It is a convention. The matrix that moves the basis vectors is called the covariant matrix, and one picks or depending on which direction one wants to change. The lecture finds the direction from old coordinates to new ones natural and takes as the covariant matrix.
An example: polar coordinates in two dimensions
In a two-dimensional spacetime, take old coordinates and new coordinates . The lecture writes for the new coordinates too, but here I write for readability.
The covariant matrix comes from differentiating with respect to . The row is and the column is .
There is a reason to rewrite it in the old coordinates as on the right. The components of the tensor to be transformed are given as functions of the old coordinates, so must be known in the old coordinates at the same point before we can multiply. The lecture differentiates and tidies up with trigonometry, and in this form all the transcendental functions disappear. The inverse is the opposite matrix, from differentiating with respect to .
Moving a (0, 2) tensor by the rule
Pick a tensor to move.
Since it is a tensor, we use . Only two terms survive, and .
In the same way , and the diagonal components vanish because the two terms cancel, as in . The result is this.
Q. Is a component that was 0 in the old coordinates also 0 in the new ones?
A. No. A general tensor gets nonzero components in the new coordinates. Here the diagonal components stay 0 only because makes the two terms cancel exactly. Components are fickle numbers that can change a lot when the coordinates change.
In the strict basis there is only one component
The above is also a wedge product. By the definition, , so . In two dimensions the space of 2-forms has dimension , so the only strict basis element is and every 2-form is a constant multiple . The component of is . Reading the earlier result in the same shape, in the new basis , that is .
In the tensor-product basis there are four components (only are nonzero), and the rule multiplies twice. In the strict basis there is a single component and it changes like this.
It is the same tensor, but the rule for the components depends on the basis. A component written in the strict basis does not follow the tensor rule above, so in the lecture’s words it is not a tensor but something else; it is usually called a tensor density, though the lecture says it could be another name. The naming is postponed to later posts. Three dimensions work the same way: every 3-form has the shape , so the constant is multiplied by .
In the toy below, dragging the point shows and at that point, and changing the four components of computes by the rule. The single component of the antisymmetric part, , is always multiplied by , while the symmetric part does not follow this rule.
Q. Is the multiplier for other coordinate changes than polar ones?
A. For a form with it is the same for any smooth coordinate change. The multiplier is the determinant of , that is, the Jacobian determinant. The lecture says that doing the same in three dimensions gives the same rule.
Why a determinant is multiplied
The lecture does not explain this separately, but it can be read from a picture. The parallelogram formed by the new basis has area , and the square formed by the old basis has area 1. The 2-form is a device that measures the oriented area formed by two vectors. With the pairing rule of the previous post, the value on the two new basis vectors is exactly .
is also the new-basis component , so the component is multiplied by exactly as the area is. (This explanation applies the pairing rule of the previous post and was not covered in the lecture.)
This rule holds only when p equals the dimension
This is the limit the lecture stresses at the end. The factor seen so far holds only when , so that there is a single strict basis element. For example, with there are components, which follow a different rule. How the strict-basis components change for general is the subject of the next post. From the minor formula of the previous post one can guess that the minors of will appear. For , with a single element, the minor is all of , which shows up as . (This guess follows from the previous post’s formula and was not covered in the lecture.) In the next post we look at this general rule.
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