Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
Tensor series, part 30: how the components of a p-form are read in a new basis, the transformation law written with minors, the determinant at p = n, and the cofactor and the 1-0 tensor density that appear at p = n-1Tensor 시리즈 30편: p-형식의 성분이 새 기저에서 어떻게 읽히는지, 소행렬식으로 쓴 변환 법칙, p = n일 때의 행렬식, p = n-1일 때 나타나는 여인수와 1-0 텐서 밀도
Tensor series텐서 시리즈Part 30 of 4040편 중 30번째
- 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
- 되짚기: 하나뿐인 계수
- 성분을 꺼내는 법
- 변환 법칙
- p = n이면 행렬식
- 소행렬식으로 쓰기
- 소행렬식을 역행렬의 여인수로
- p = n-1이면 성분이 n개
- 일반 p와 다음 편
- Recap: the single coefficient
- How to extract components
- The transformation law
- When p = n it is the determinant
- Writing it with minors
- Minors as cofactors of the inverse
- When p = n-1 there are n components
- General p and the next post
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 30강 Transformation of forms - formal study (Part I)에 해당합니다. 지난 편에서 본 2차원 2-형식의 예를 이번 편에서는 임의의 차원 과 차수 로 넓혀, 형식의 성분이 기저를 바꿀 때 어떻게 변하는지 공식으로 정리합니다.
되짚기: 하나뿐인 계수
인 벡터 스페이스에서 2-형식은 텐서곱 기저로 쓰면 성분 네 개를 가진 텐서이고, 쐐기곱으로 쓰면 계수가 하나뿐입니다. 반대칭 텐서에서는 항과 항의 성분이 0이고 항과 항은 부호만 다르므로, 쐐기곱 기저 하나가 1차원 스페이스를 이룹니다. 이 스페이스의 두 원소는 상수배만큼만 다르니, 계수 하나만 추적하면 됩니다.
그 계수는 보통의 스칼라 함수와 다르게 변합니다. 보통의 스칼라는 같은 점에서 좌표를 바꿔도 값이 그대로입니다. 이 계수는 기저 변환 행렬의 행렬식만큼 값이 변하고, 이런 것을 스칼라 밀도라고 부릅니다. 행렬식은 부호를 가질 수 있으므로 한 축을 뒤집는 반사 변환에서는 계수의 부호가 바뀝니다. 이번 편의 목표는 이 현상을 한 가지 경우에서 모든 로 일반화하는 것입니다.
성분을 꺼내는 법
텐서 하나가 기저 벡터와 기저 코벡터를 받으면 그 기저에 대한 성분이 나옵니다. 텐서 의 성분은 이렇게 얻습니다.
기저 코벡터와 기저 벡터의 짝은 이므로 남는 것은 성분 하나뿐입니다. 이 약속을 -형식 에 쓰면, 엄격한 기저(번호가 증가하는 순서로만 쓴 쐐기곱 기저)로 표현한 성분이 이렇게 읽힙니다.
새 좌표에서의 성분 를 알려면 같은 형식 에 새 기저 벡터 를 넣으면 됩니다. 형식 자체는 하나이고 넣는 벡터만 바뀌기 때문에 이것이 곧 새 성분의 정의입니다.
변환 법칙
문제는 와 가 서로 다른 기저에 속해서 델타 규칙을 쓸 수 없다는 점입니다. 그래도 계산법은 이미 압니다. 쐐기곱 기저 에 벡터 개를 넣으면, 각 코벡터가 각 벡터에 작용한 값을 모은 행렬의 행렬식이 나옵니다. 새 기저 벡터는 옛 기저 벡터의 합 로 쓸 수 있으니 입니다. 여기서 은 기저를 바꾸는 공변 변환 행렬입니다. 그러므로 이렇게 됩니다.
이 식은 에 새 기저 벡터를 넣을 때, 항마다 의 값인 행렬식이 곱해진다는 말입니다. 합은 증가하는 번호열에만 걸립니다. 엄격한 기저에서는 그 번호열마다 독립인 성분 하나가 대응하고, 순서를 바꾼 항은 부호만 다른 같은 성분이기 때문입니다. 행렬의 원소가 모두 변환 행렬 의 원소이므로, 성분의 변환은 결국 의 부분 행렬들의 행렬식으로 쓰입니다.
Q. 합이 모든 번호열이 아니라 증가하는 번호열에만 걸리는 까닭이 무엇인가요?
A. 엄격한 기저의 성분 는 인 것만 독립입니다. 다른 순서의 성분은 부호를 바꾼 같은 값이어서 따로 더하면 같은 항을 여러 번 세게 됩니다.
p = n이면 행렬식
가 차원 과 같으면 증가하는 번호열은 하나뿐이어서 합에는 항이 하나입니다. 행렬도 전체입니다. 새 기저 벡터를 옛 기저의 합으로 쓸 때 라면 이므로 행렬의 원소가 입니다. 그래서 이렇게 됩니다.
를 넣으면 지난 편의 결과가 나옵니다. 인 형식을 보통 -형식이라 부르고, 은 바탕 벡터 스페이스의 차원을 뜻하는 글자로 쓰는 것이 관례입니다. 이 결과는 어느 차원에서든 성립합니다.
소행렬식으로 쓰기
이면 위의 행렬식은 전체가 아니라 개의 행과 개의 열만 골라 만든 부분 행렬의 행렬식입니다. 이것을 소행렬식이라 부릅니다. 소행렬식은 행렬이 아니라 수이고, 행의 번호열 와 열의 번호열 로 어느 부분인지 가려 씁니다. 이 노트에서는 이렇게 씁니다.
변환 법칙이 짧아집니다.
( 소행렬식의 합으로 곱을 푸는 이 식은 수학에서 코시-비네 공식과 같은 모양입니다. 이 이름은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 이면 소행렬식은 원소 하나여서 코벡터의 익숙한 변환 법칙 가 나옵니다.
아래 장난감에서 차원 , 차수 , 행렬 , 형식의 성분 를 바꿔 보세요. 새 기저의 성분 하나를 고르면 어떤 항들이 어떤 소행렬식과 곱해져 더해지는지 펼쳐 보입니다. 이면 항 하나이고 행렬식이 곱해지며, 이면 아래에서 볼 여인수 식과 같은 값이 나오는 것도 확인할 수 있습니다.
소행렬식을 역행렬의 여인수로
행렬식 강의에서 본 규칙이 하나 있습니다. 정사각 행렬 의 소행렬식은 의 행렬식에, 역행렬 에서 서로 보완하는 행과 열을 고른 소행렬식을 곱하고 부호를 붙인 것과 같습니다. 이 부호를 붙인 소행렬식을 여인수라고 부릅니다. 를 에서 고르지 않은 번호의 모임이라 하면 이렇게 씁니다.
(는 번호열 의 번호를 모두 더한 값입니다. 이 식은 자코비의 보여인수 정리라는 이름으로 알려진 사실입니다. 이 이름은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 처음 보면 일을 더 어렵게 만드는 식으로 보입니다. 그러나 오른쪽에는 행렬식이 있고, 이 값은 새 좌표로 가는 모든 소행렬식에 공통이어서 한 번만 계산하면 됩니다. 그리고 가 에 가까울수록 보완하는 부분 가 작아져서 여인수 쪽이 계산하기 쉬워집니다.
p = n-1이면 성분이 n개
번호가 증가하는 길이 의 열은 에서 번호 하나 를 뺀 것으로 하나씩 정해집니다. 그러므로 엄격한 기저는 개이고, 이 기저와 성분을 이렇게 씁니다.
모자는 그 번호를 뺐다는 표시입니다. 개수 은 이니 1-형식의 성분 수와 같습니다. 이 개 기저는 자리에 들어갈 번호만 다르고, 순서를 바꾼 배열은 부호만 다른 같은 형식이라 독립이 아닙니다.
이제 변환 법칙에서 소행렬식은 행 와 열 을 지운 부분입니다. 앞 절의 규칙에서 보완하는 부분이 번호 하나씩이므로 여인수는 역행렬 원소 하나입니다. 한 원소의 행렬식은 그 원소 자신입니다.
이것을 변환 법칙에 넣으면 합은 개 항으로 끝나고, 모든 순열을 헤아릴 필요가 없습니다.
부호 은 로 나눌 수 있습니다. 양변에 을 곱하고, 부호를 붙인 성분을 위 첨자 하나인 양으로 정의합니다.
벡터의 성분 는 로 변합니다. 는 이 규칙에 행렬식 가 하나 더 곱해진 모양으로 변합니다. 이 법칙을 가진 대상을 1-0 텐서 밀도라고 부릅니다. 다음 편에서 정의를 정리합니다.
강의는 같은 부호 을 성분이 아닌 기저에 넣는 방식도 있다고 짚습니다. 기저 에 을 곱해 새 기저로 삼으면 성분 쪽에 따로 부호를 붙일 필요가 없습니다. 어느 쪽으로 해도 같은 규칙입니다.
Q. 왜 이렇게 부호까지 정의해서 벡터처럼 만드나요?
A. 자체는 소행렬식에 부호가 낀 모양이라 보기 어렵습니다. 부호 를 붙이면 변환 법칙이 벡터의 규칙에 행렬식 하나만 곱한 형태로 정돈되어, 이 대상이 무엇인지가 한눈에 읽힙니다.
예를 하나 봅니다. 에서 1-형식 이면 입니다. 성분을 90도 돌려 만든 이 짝이 가 곱해진 벡터처럼 변합니다. 가 대각 행렬 이면 , 이고, 위 규칙으로 이 되어 직접 계산과 맞습니다. (이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
일반 p와 다음 편
가 보다 훨씬 작은 일반의 경우에도 소행렬식을 역행렬의 여인수로 바꿀 수는 있습니다. 하지만 이때는 보완하는 부분 가 커서 역행렬의 소행렬식이 남고, 결과가 위처럼 깔끔한 텐서 밀도의 꼴이 되지 않습니다. 강의는 이 일반의 경우를 다음 시간에 형식으로 다룬다고 예고하며 이번 편을 마칩니다.
다음 편에서는 이렇게 나온 변환 규칙을 가중치라는 이름으로 정리하여 텐서 밀도를 정식으로 정의합니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 30 of the playlist, Transformation of forms - formal study (Part I). Taking the 2-dimensional 2-form example from the previous post, this time we extend it to an arbitrary dimension and degree , and organize how the components of a form change under a change of basis into a formula.
Recap: the single coefficient
On a vector space with , a 2-form written in the tensor product basis is a tensor with four components, and written with the wedge product it has just one coefficient. For an antisymmetric tensor the and components are 0 and the and components differ only by a sign, so the single wedge basis element spans a 1-dimensional space. Two elements of this space differ only by a constant factor, so we only need to track one coefficient.
That coefficient changes unlike an ordinary scalar function. An ordinary scalar keeps its value at the same point when the coordinates change. This coefficient changes in value by the determinant of the basis change matrix, and such a thing is called a scalar density. A determinant can have a sign, so under a reflection that flips one axis the sign of the coefficient flips. The goal of this post is to generalize this phenomenon from the single case to every .
How to extract components
When a tensor is fed basis vectors and basis covectors, the components in that basis come out. For a tensor the components are obtained like this.
The pairing of basis covectors and basis vectors is , so only one component is left. Applying this convention to a -form , the components expressed in the strict basis (the wedge basis written only in increasing order of the numbers) are read like this.
To find the components in the new coordinates, feed the same form the new basis vectors . The form itself is one object and only the vectors we feed it change, so this is exactly the definition of the new components.
The transformation law
The difficulty is that and belong to different bases, so the delta rule cannot be used. But we already know how to compute. Feeding vectors to a wedge basis element gives the determinant of the matrix collecting the value of each covector acting on each vector. A new basis vector can be written as a sum of old basis vectors, , so . Here is the covariant matrix that changes the basis. Therefore we get this.
This formula says that when we feed the new basis vectors to , each term is multiplied by the determinant that is the value of . The sum runs only over increasing sequences of numbers. In the strict basis each such sequence carries one independent component, and the terms with reordered numbers are the same component with a sign. Since all the matrix entries are entries of the transformation matrix , the transformation of the components ends up written with determinants of submatrices of .
Q. Why does the sum run only over increasing sequences instead of all sequences?
A. In the strict basis only the components with are independent. The components in other orders are the same value with a sign change, so adding them separately would count the same term several times.
When p = n it is the determinant
When equals the dimension , the only increasing sequence is , so the sum has a single term. The matrix is the whole of . If the new basis vector is written as a sum of old ones as , then , so the entry of the matrix is . So we get this.
Putting in gives the result of the previous post. A form with is usually called an -form, and by convention the letter stands for the dimension of the underlying vector space. This result holds in every dimension.
Writing it with minors
If , the determinant above is not that of the whole of but of the submatrix built by choosing only rows and columns. This is called a minor. A minor is a number, not a matrix, and we mark which part it is by the sequence of rows and the sequence of columns. In these notes we write it like this.
The transformation law becomes shorter.
(This formula, which expands a product as a sum of minors, has the same shape as what mathematics calls the Cauchy-Binet formula. This name is added for understanding and was not covered in the lecture.) For a minor is a single entry, which gives the familiar transformation law of a covector, .
In the toy below, change the dimension , the degree , the matrix , and the components of the form. Pick one component of the new basis and it unfolds which terms are multiplied by which minors and added. For there is one term multiplied by the determinant, and for you can also check that the same value comes out of the cofactor formula we see below.
Minors as cofactors of the inverse
The determinant lesson gave one rule. A minor of a square matrix equals the determinant of times a minor of the inverse chosen with the complementary rows and columns, with a sign attached. The minor with this sign attached is called a cofactor. Letting be the sets of numbers not chosen in , we write it like this.
( is the sum of all the numbers in the sequence . This formula is known as Jacobi’s complementary minor theorem. The name is added for understanding and was not covered in the lecture.) At first sight it looks like it makes the job harder. But the right side contains the determinant, a value common to all minors going to the new coordinates, so it needs to be computed only once. And the closer is to , the smaller the complementary part becomes, so the cofactor side is easier to compute.
When p = n-1 there are n components
An increasing sequence of length is fixed by dropping one number from . So the strict basis has elements, and we write the basis and the components like this.
The hat marks that the number is omitted. The count equals , the number of components of a 1-form. These basis elements differ only in the number that goes into the slot, and arrangements with a different order are the same form up to a sign, so they are not independent.
Now in the transformation law the minor is the part with row and column deleted. By the rule of the previous section the complementary part is a single number, so the cofactor is a single entry of the inverse matrix. The determinant of a single entry is the entry itself.
Putting this in the transformation law, the sum ends with terms, and there is no need to count over all permutations.
The sign can be split as . Multiply both sides by and define the signed component as a quantity with one upper index.
The components of a vector change as . changes by this rule with one extra factor of the determinant . An object with this law is called a (1, 0) tensor density. The next post settles the definition.
The lecture notes that the same sign can also be put into the basis rather than the components. If we multiply the basis by and take that as the new basis, no separate sign is needed on the component side. Either way the rule is the same.
Q. Why define the sign too and make it look like a vector?
A. itself is a minor with a sign mixed in and is hard to read. Attaching the sign tidies the transformation law into the vector rule with one extra determinant, so what this object is can be read at a glance.
Here is an example. In , for a 1-form we have . This pair, made by rotating the components by 90 degrees, changes like a vector multiplied by . If is the diagonal matrix , then and , and the rule above gives , which agrees with the direct computation. (This example is added for understanding and was not covered in the lecture.)
General p and the next post
For general much smaller than we can still turn the minor into a cofactor of the inverse. But then the complementary part is large, a minor of the inverse remains, and the result does not take the clean form of a tensor density as above. The lecture ends by announcing that it will treat this general case next time together with forms.
In the next post we organize the transformation rules found here under the name of weight and define tensor densities formally.
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