Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
Tensor series, part 31: tensor densities defined by a weight w, building a density by multiplying in a top-degree wedge basis, the sign of the weight, and the strict basisTensor 시리즈 31편: 가중치 w로 정의하는 텐서 밀도, 최대 차수의 쐐기곱 기저를 곱해 밀도를 만드는 방법, 가중치의 부호와 엄격한 기저
Tensor series텐서 시리즈Part 31 of 4040편 중 31번째
- 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
- 고전적 정의: 가중치 w
- 성분만 정의하면 아쉬운 점
- 최대 차수의 쐐기곱 기저를 곱하기
- 기저가 바뀌면 행렬식이 나온다
- 가중치는 개수로 센다
- 엄격한 기저가 밀도를 만든다
- 밀도들이 이루는 스페이스와 다음 편
- The classical definition: the weight w
- What the component-only definition leaves unsaid
- Multiplying in a top-degree wedge basis
- Changing the basis brings out a determinant
- The weight is counted by number
- The strict basis makes the density
- The space of densities and the next post
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 31강 Tensor Densities (Part 2 of Tensor Transformations)에 해당합니다. 지난 편에서는 -형식의 성분이 벡터처럼 변하되 행렬식이 하나 더 곱해지는 것을 봤습니다. 이번 편에서는 이런 규칙을 가진 대상을 텐서 밀도라는 이름으로 정의하고, 그것이 어떤 스페이스의 원소인지 따라가 봅니다.
고전적 정의: 가중치 w
먼저 고전적인 방식으로 정의합니다. 이 방식에서 텐서는 성분이 정해진 규칙으로 변하는 숫자 모임입니다. 위 첨자 개, 아래 첨자 개를 가진 성분 가 정수 에 대해 기저를 로 바꿀 때 이렇게 변하면, 가중치 인 텐서 밀도라고 합니다.
위 첨자는 역행렬로, 아래 첨자는 로 바뀌는 보통의 텐서 규칙에 변환 행렬의 행렬식 제곱이 곱해진 꼴입니다. 행렬식은 숫자 하나라서 첨자를 건드리지 않고 전체에 곱해집니다. 텐서 밀도만 적으면 이렇습니다.
가중치는 양수, 0, 음수 정수가 모두 가능합니다. 이면 곱해지는 인자가 1이어서 보통 텐서의 규칙과 같으므로, 보통의 텐서는 가중치 0인 텐서 밀도입니다. 일부 교재는 인 것을 텐서 용량이라고 따로 부르지만 널리 통일된 용어는 아닙니다. 지난 편에서 만든 가 텐서 밀도, 인 첫 예입니다.
Q. 가중치가 0이면 밀도라고 부를 필요가 있나요?
A. 없습니다. 다만 정의 안에 보통 텐서가 한 경우로 들어 있어서, 가중치 하나만 정하면 둘을 같은 틀로 다룰 수 있습니다.
성분만 정의하면 아쉬운 점
이 시리즈는 텐서를 성분 하나로 보지 않고 기저와 성분의 짝으로 다뤄 왔습니다. 성분이 로 변하면 기저는 로 변해서 곱이 1이 되므로, 텐서 자체는 바뀌지 않습니다. 고전적 정의는 이 기저를 지우고 성분의 규칙만 남깁니다. 그런데 밀도의 규칙에는 곱해도 1이 되지 않는 인자 가 있습니다. 그러면 질문이 생깁니다. 성분이 이렇게 변하는 대상은 어느 스페이스의 원소이고, 어떤 기저와 짝을 이루고 있을까요? 규칙만 외우면 행렬식을 아무 데나 붙여 놓은 것처럼 보이기 때문에, 강의는 기저를 직접 만들어 답합니다.
최대 차수의 쐐기곱 기저를 곱하기
으로 정하고, 텐서의 기저 뒤에 최대 차수의 쐐기곱 기저를 텐서곱으로 하나 더 붙인 대상을 봅니다.
이므로 3-형식의 스페이스는 1차원이고, 엄격한 기저는 하나뿐입니다. 이 줄은 의 원소입니다. 텐서곱은 스페이스가 몇 개든 만들 수 있으니 문제없는 대상입니다. 1차원 스페이스의 원소는 숫자 하나가 계수의 전부여서, 이 계수를 에 곱해 흡수할 수 있습니다. 쐐기곱 기저를 몇 개 더 붙여도 성분의 첨자는 늘지 않습니다. 첨자의 모양은 그대로입니다.
Q. 1차원 스페이스를 곱하면 왜 랭크가 안 변하나요?
A. 그 스페이스의 기저가 하나뿐이라 성분에 첨자가 붙지 않습니다. 계수 하나가 나머지 성분 앞에 곱해질 뿐입니다. 대신 기저는 달라지므로 이 대상은 보통의 텐서의 스페이스에 속하지 않습니다.
기저가 바뀌면 행렬식이 나온다
성분과 쪽은 늘 하던 대로입니다. 새로운 것은 마지막 쐐기곱 기저뿐입니다. 코벡터 기저는 로 바뀌므로 최대 차수의 쐐기곱은 이렇게 됩니다.
쐐기곱은 반대칭이라 번호가 모두 다른 항만 남고, 번호를 바꾼 항들의 합은 행렬식의 정의와 같습니다. 강의는 같은 사실을 ‘선형 변환을 기저 코벡터에 하나씩 적용하면 행렬식이 앞으로 나온다’는 규칙으로 가져옵니다. 대상 자체는 기저를 바꿔도 그대로이므로, 기저에서 나온 은 성분이 받아야 합니다. 쐐기곱 기저를 개 곱했다면 이렇게 됩니다.
첫 절의 정의와 같은 꼴이므로 는 가중치 인 텐서 밀도입니다. 강의는 같은 쐐기곱 기저를 두 번 곱한 예로 계산하고, 인자가 이 되어 가중치 2가 나온다고 보입니다. 정의에 있던 낯선 인자는 기저의 행렬식이 성분 쪽에 남은 것입니다.
에서 에 새 기저 벡터 를 넣으면 이 나오고, 이 값은 두 벡터가 옛 좌표에서 만드는 평행사변형의 부호 있는 넓이입니다. 새 기저의 는 같은 입력에서 1을 주므로 가 됩니다. (이 해석은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 아래 장난감에서 새 기저 벡터 두 개를 끌어 이 인자를 직접 확인해 보세요.
가중치는 개수로 센다
벡터 쪽 기저를 곱하면 인자가 반대로 나옵니다. 벡터 기저는 로 바뀌니 최대 차수의 벡터 쪽 쐐기곱은 이렇습니다.
그래서 -벡터의 쐐기곱 기저를 곱하면 인자가 이 되어 가중치가 1 줄어듭니다. -형식 기저를 개, -벡터 기저를 개 곱하면 가중치는 다음과 같습니다.
둘 다 곱하지 않으면 이어서 보통 텐서입니다. 곱하는 개수를 조절하면 어떤 정수 가중치도 만들 수 있습니다. 이 방식은 차원이 3이든 10이든 같습니다. 다만 한 가지 조건이 있습니다. 행렬식이 앞으로 나오는 규칙은 최대 차수의 쐐기곱에서만 성립하고, 차수가 그보다 작으면 행렬식 대신 지난 편의 소행렬식이 나옵니다.
Q. -형식 하나와 -벡터 하나를 같이 곱하면 어떻게 되나요?
A. 가중치가 이 되어 보통 텐서와 같은 규칙으로 변합니다. 두 인자 과 이 서로 지워지기 때문입니다.
엄격한 기저가 밀도를 만든다
쐐기곱 기저를 텐서곱 기저로 풀어 쓰면 번호를 모두 바꾼 항들의 부호 있는 합입니다. 이면 항이 여섯 개입니다.
이렇게 풀면 는 첨자가 개 늘어난 보통의 텐서이고, 완전 반대칭인 그 성분은 행렬식 없이 보통의 텐서 규칙으로 변합니다. 변환한 뒤 반대칭 항들을 다시 엄격한 기저 하나로 접으면 비로소 계수 앞에 행렬식이 나타납니다. 그러므로 밀도는 엄격한 기저 하나를 쓰고 그 앞의 계수만 따로 보는 데서 생깁니다.
느슨한 기저는 번호열을 모두 더하고 을 앞에 붙여 처럼 씁니다. 이 경우에는 성분이 첨자를 모두 가진 보통의 텐서로 변하고, 밀도의 인자는 따로 보이지 않습니다. 강의는 이 차이가 ‘텐서 밀도의 본모습’이라고 정리합니다.
밀도들이 이루는 스페이스와 다음 편
같은 가중치의 두 텐서 밀도를 더하면 같은 가중치의 텐서 밀도이고, 영 밀도와 덧셈의 역원도 있으므로 가중치가 같은 밀도들은 벡터 스페이스를 이룹니다. 강의는 이 스페이스에 쓸 표준 기호가 아직 없다고 말합니다. 가중치가 다른 밀도는 같은 규칙으로 변하지 않으므로 더하지 않습니다. (이 설명은 위의 변환 규칙에서 바로 따라 나오는 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
강의는 이 정의가 쓰이는 곳을 예고하며 마칩니다. 레비치비타 기호와 메트릭의 행렬식이 텐서 밀도이고, 방향이 있는 다양체 위의 적분 이론에서 중심이 됩니다. 다음 편에서는 레비치비타 기호와 메트릭의 행렬식이 밀도로 변하는 모습을 예로 확인합니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 31 of the playlist, Tensor Densities (Part 2 of Tensor Transformations). In the previous post we saw that the components of an -form change like a vector with one extra factor of a determinant. This time we give objects with such a rule the name tensor density, define it, and follow where it lives.
The classical definition: the weight w
We first define it the classical way. In this approach a tensor is a collection of numbers whose components change by a fixed rule. If components with upper indices and lower indices change like this for an integer when the basis is changed by , we call it a tensor density of weight .
This is the usual tensor rule, with upper indices changing by the inverse and lower indices by , multiplied by the determinant of the transformation matrix to the power . The determinant is a single number, so it does not touch the indices and multiplies the whole thing. For a tensor density alone it reads as follows.
The weight can be a positive, zero or negative integer. If the extra factor is 1 and the rule equals that of an ordinary tensor, so an ordinary tensor is a tensor density of weight 0. Some textbooks call the case a tensor capacity, but the term is not widely standardized. The we built last time is the first example, a tensor density with .
Q. If the weight is 0, is there a need to call it a density?
A. No. But the definition contains ordinary tensors as one case, so fixing just the weight lets us treat both in the same frame.
What the component-only definition leaves unsaid
In this series we have treated a tensor not as components alone but as a pair of a basis and components. When the components change by the basis changes by and the product is 1, so the tensor itself does not change. The classical definition erases the basis and keeps only the rule for the components. But the rule for a density has a factor that does not multiply out to 1. So a question arises. Which space is an object whose components change this way an element of, and with what basis is it paired? If we only memorize the rule, the determinant looks stuck on at random, so the lecture answers by constructing the basis directly.
Multiplying in a top-degree wedge basis
Fix and look at an object obtained by attaching, after the basis of a tensor, one more top-degree wedge basis through a tensor product.
Since , the space of 3-forms is 1-dimensional, and its strict basis is the single element . This expression is an element of . A tensor product can be made from any number of spaces, so this is a perfectly fine object. An element of a 1-dimensional space has a single number as its whole coefficient, so that coefficient can be multiplied into and absorbed. Attaching a few more wedge bases does not add indices to the components. The shape of the indices stays .
Q. Why does multiplying in a 1-dimensional space not change the rank?
A. That space has only one basis element, so no index is attached to the components. A single coefficient is just multiplied in front of the other components. But the basis is different, so this object does not belong to the space of ordinary tensors.
Changing the basis brings out a determinant
The components and the part go as always. The only new thing is the last wedge basis. The covector basis changes as , so the top-degree wedge product becomes this.
The wedge product is antisymmetric, so only the terms with all different numbers survive, and the sum over the reordered terms is just the definition of the determinant. The lecture brings in the same fact as the rule that applying a linear transformation to the basis covectors one by one pulls the determinant to the front. The object itself stays the same when the basis changes, so the components must take the that came from the basis. If we multiplied in wedge bases, we get this.
This has the same form as the definition in the first section, so is a tensor density of weight . The lecture computes an example with the same wedge basis multiplied in twice, and shows that the factor becomes and the weight is 2. The odd factor in the definition is the determinant of the basis left over on the component side.
In , feeding the new basis vectors to gives , which is the signed area of the parallelogram the two vectors make in the old coordinates. The new basis element gives 1 on the same input, so . (This interpretation is added for understanding and was not covered in the lecture.) In the toy below, drag the two new basis vectors and check this factor yourself.
The weight is counted by number
Multiplying in a basis on the vector side brings out the opposite factor. The vector basis changes as , so the top-degree wedge product on the vector side is this.
So multiplying in the wedge basis of an -vector gives the factor and lowers the weight by 1. If we multiply in bases of -forms and bases of -vectors, the weight is as follows.
If we multiply in neither, and it is an ordinary tensor. By adjusting how many we multiply in, we can make any integer weight. This works the same whether the dimension is 3 or 10. There is one condition, though. The rule that the determinant comes to the front holds only for the top-degree wedge product, and for a lower degree the minors of the previous post appear instead of the determinant.
Q. What happens if we multiply in one -form basis and one -vector basis together?
A. The weight is and it changes by the same rule as an ordinary tensor. The two factors and cancel each other.
The strict basis makes the density
If we expand a wedge basis into the tensor product basis, it is a signed sum over all reorderings of the numbers. For there are six terms.
Expanded this way, is an ordinary tensor with more indices, and its completely antisymmetric components change by the ordinary tensor rule with no determinant. After the transformation, when we fold the antisymmetric terms back into a single strict basis element, the determinant finally appears in front of the coefficient . So a density arises from using one strict basis element and looking at the coefficient in front of it alone.
The loose basis adds over all sequences of numbers and puts in front, as in . In that case the components change as an ordinary tensor with all its indices, and no density factor shows up separately. The lecture sums this difference up as the true nature of a tensor density.
The space of densities and the next post
The sum of two tensor densities of the same weight is a tensor density of that weight, and there are a zero density and additive inverses, so the densities of a fixed weight form a vector space. The lecture says there is no standard symbol yet for this space. Densities of different weights do not change by the same rule, so we do not add them. (This explanation follows directly from the transformation rules above and was not covered in the lecture.)
The lecture closes by previewing where this definition is used. The Levi-Civita symbol and the determinant of the metric are tensor densities, and they are central to the theory of integration on oriented manifolds. In the next post we check, as examples, how the Levi-Civita symbol and the determinant of the metric change as densities.
Comments댓글