Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
Tensor series, part 34: a short account of the Hodge dual definition from the latter part of the previous video, then Hodge duals of basis forms in 3D Euclidean and 4D Lorentzian metrics, including the cross product and the sign of the double dualTensor 시리즈 34편: 지난 편 영상 뒤쪽의 호지 쌍대 정의를 간추리고, 3차원 유클리드와 4차원 로런츠 메트릭에서 기저 형식의 호지 쌍대를 계산해 외적과 이중 쌍대의 부호까지 확인
Tensor series텐서 시리즈Part 34 of 4040편 중 34번째
- 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
- 지난 편 영상의 뒤쪽: 호지 쌍대의 정의
- 3차원 유클리드에서 1-형식의 쌍대
- 3차원에서 2-형식과 최대 차수의 쌍대
- 4차원 로런츠에서 1-형식과 2-형식의 쌍대
- 4차원에서 3-형식과 이중 쌍대
- 외적은 쌍대 한 번
- 정리
- The latter part of the previous video: defining the Hodge dual
- The dual of 1-forms in 3D Euclidean space
- The dual of 2-forms and the top degree in 3D
- The dual of 1-forms and 2-forms in 4D Lorentzian space
- 3-forms in 4D and the double dual
- The cross product is one dual
- Summary
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 35강 Elementary Hodge Dual Calculations에 해당합니다. 지난 편의 영상 33/34강은 1시간 41분짜리라서 글을 둘로 나누었습니다. 앞쪽은 지난 편에 있고, 이 글은 영상의 뒤쪽, 곧 호지 쌍대의 정의에서 시작해 35강의 계산 예로 이어집니다.
지난 편 영상의 뒤쪽: 호지 쌍대의 정의
차원 벡터 스페이스에 내적이 하나 정해져 있다고 합니다. 이 내적은 듀얼 스페이스의 내적을 낳고, 다시 -형식의 스페이스 위의 내적 을 낳습니다. 단순한 형식끼리는 행렬식으로 정해집니다.
-형식 에서 실수 하나를 얻는 길이 둘 있습니다. 첫째는 내적입니다. 기준이 될 -형식 를 하나 골라 를 잡습니다. 둘째는 쐐기곱입니다. 기준이 될 -형식 를 하나 골라 를 만들면 최대 차수 의 스페이스에 들어갑니다. 이 스페이스는 1차원이라서 단위 부피 형식 의 실수 배, 곧 꼴이고 실수 가 하나 나옵니다. 두 길이 같은 실수를 주도록 요구하면 가 에서 정해지고, 이것이 호지 쌍대입니다.
이렇게 는 의 원소를 의 원소로 보냅니다. 두 차수의 스페이스는 차원이 같고, 는 양쪽 방향으로 쓰는 동형 사상입니다. 최대 차수가 1차원이기 때문에 두 방법이 각각 실수 하나를 주어 맞붙을 수 있습니다. 차원이 더 크면 실수가 여럿 나와 이 맞붙임이 되지 않습니다.
Q. 호지 쌍대의 정의에서 메트릭은 어디에 쓰이나요?
A. 우변의 내적 에 쓰입니다. 벡터 스페이스의 내적이 형식의 내적을 낳으므로 메트릭이 달라지면 같은 의 쌍대가 달라집니다. 또 의 순서를 정하는 일이 방향을 정하는 일이라서, 을 양의 방향으로 고른다고 약속합니다.
정의에서 곧바로 나오는 사실이 셋 있습니다.
- 는 선형입니다. 그래서 기저 형식의 쌍대만 알면 임의의 형식의 쌍대는 성분을 꺼내 바꿔 넣어 얻습니다.
- 0-형식의 기저 에서는 가 함수이므로 이고 입니다. 차원이나 메트릭과 상관없이 늘 성립합니다.
- 를 넣으면 인데, 정규직교 기저에서 는 의 행렬식입니다. 대각 성분이 이므로 음수가 몇 개인가로 정해집니다. 메트릭의 양의 고윳값이 개라면 음수가 개이므로 입니다.
정규직교 기저에서 기저 형식의 쌍대는 한 줄로 쓰입니다. 는 에 없는 번호입니다.
합 기호는 없습니다. 를 정하면 의 집합이 하나로 정해지기 때문입니다. 를 어떤 순서로 적어도 쐐기곱의 부호와 의 부호가 함께 바뀌어 결과는 같습니다. 곱해지는 내적은 이라 메트릭의 서명이 부호로만 드러납니다. (이 식이 정의를 만족하는 이유는 이해를 위해 보탠 것입니다. 양변에 를 쐐기곱하면 이어서 우변이 가 됩니다. 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
3차원 유클리드에서 1-형식의 쌍대
이제 35강의 계산입니다. 먼저 이고 메트릭의 서명이 양수 3개인 유클리드 공간입니다. 좌표 에서 이 양의 부피 형식입니다. 내적이 모두 이라 부호는 만 정합니다.
의 번호 모임은 , 남은 번호는 입니다. 순서는 아무렇게나 골라도 되므로 오름차순으로 잡습니다. 이므로 입니다. 에서는 남은 번호가 이고 은 자리를 한 번 바꾼 홀순열이라 입니다. 에서는 가 두 번 바꾼 짝순열이라 입니다.
선형이므로 임의의 1-형식 은 성분이 그대로 나옵니다.
초급 교재는 를 쓰고 를 로 순서를 뒤집어 마이너스를 없앱니다. 이 노트는 오름차순 기저를 유지하려고 마이너스를 남겨 둡니다.
Q. 의 쌍대에 마이너스가 붙는 까닭이 무엇인가요?
A. 이 에서 한 번 바꾼 홀순열이기 때문입니다. 이라서 같은 대상을 순서만 바꿔 적은 것이고, 어느 쪽으로 적어도 쌍대는 같습니다.
3차원에서 2-형식과 최대 차수의 쌍대
2-형식도 같은 방법입니다. 남는 번호가 하나씩이고 메트릭 인자는 입니다.
이고 이기 때문입니다. 임의의 2-형식 은 이렇게 됩니다.
1-형식과 2-형식의 스페이스는 모두 3차원이고, 가 한 쪽의 성분을 다른 쪽의 성분으로 옮깁니다. 차수 와 의 차원이 늘 같으니 당연한 결과입니다. 최대 차수에서는 이고, 정의에서 얻은 과 같습니다.
4차원 로런츠에서 1-형식과 2-형식의 쌍대
두 번째 경우는 이고 서명이 양수 3, 음수 1인 로런츠 메트릭입니다. 번호는 이고 , 나머지는 입니다. 양의 부피 형식은 입니다. 이제 와 메트릭 곱이 함께 부호를 정합니다.
1-형식 은 이고 메트릭 인자가 이라 마이너스가 붙습니다. 는 남은 번호 에서 이 두 번 바꾼 짝순열 이고 인자가 입니다.
2-형식은 두 인자가 함께 나옵니다. 은 이고 메트릭 곱이 입니다. 는 이고 메트릭 곱이 이므로 두 마이너스가 만나 플러스가 됩니다.
4차원에서 2-형식의 스페이스는 6차원이고 도 2라서, 가 이 스페이스를 자기 자신으로 보냅니다. 2-형식 둘을 괄호로 묶어 로 적어야 합니다. 괄호 없이 로 쓰면 먼저 쌍대를 하고 쐐기곱을 하는지, 쐐기곱을 하고 쌍대를 하는지 알 수 없습니다.
4차원에서 3-형식과 이중 쌍대
3-형식도 같은 규칙으로 계산됩니다.
앞의 식은 에 메트릭 인자 입니다. 뒤의 식은 에 인자 이라 플러스가 됩니다. 이 들어 있는 기저는 메트릭 곱이 늘 이고, 없으면 입니다. 각 결과가 3-형식의 쌍대로서 1-형식이 되는지는 로 확인합니다.
이제 과 가 남았습니다. 앞에서 이었고 입니다. 그러므로 이 됩니다. 쌍대를 두 번 해도 처음으로 돌아오지 않고 부호가 바뀔 수 있고, 이는 서명으로 정해집니다. 강의는 부호가 서명의 홀짝에만 달렸다고 말합니다. 양수가 1개이고 음수가 3개인 서명에서도 이 홀수라서 같은 이 됩니다.
일반 차수의 이중 쌍대 공식은 위의 모든 계산에서 읽어 낸 것입니다. -형식에서 이고, 이 글의 두 공간에서 모든 기저 형식으로 확인했습니다. (이 공식은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 3차원 유클리드에서는 가 늘 짝수이고 이라 입니다.
Q. 쌍대를 두 번 하면 왜 항상 제자리로 돌아오지 않나요?
A. 한 번 쌍대할 때 내적의 곱 가 부호를 하나씩 더하고, 번호를 바꾸는 순열 부호도 더합니다. 두 번 거치면 이 부호들이 모두 다시 곱해지는데, 음수 내적이 홀수 개 남으면 마이너스가 남습니다. 유클리드에서는 이 부호가 없습니다.
아래 장난감은 두 공간의 모든 기저 형식에 대해 이 계산을 단계별로 보여 줍니다. 번호를 골라 순열 부호, 메트릭 곱, 결과, 이중 쌍대의 부호를 확인해 보세요.
외적은 쌍대 한 번
초급 물리에서 외적은 3차원 벡터 둘로 벡터 하나를 만드는 연산이라고 배웁니다. , , 입니다. 이 규칙은 위에서 계산한 3차원 쌍대에서 나옵니다. 벡터 쪽에도 같은 공식이 쓰이고, 기저 벡터 에서 이렇게 됩니다.
세 식은 에서 나옵니다. 그러므로 외적은 먼저 쐐기곱으로 2-벡터를 만들고 쌍대로 벡터에 돌아오는 연산입니다.
Q. 외적은 왜 3차원에서만 이렇게 정의되나요?
A. 가 2차 스페이스에 있고 가 이를 차 스페이스로 보내기 때문입니다. 벡터로 돌아오려면 이어야 하므로 입니다. 4차원에서는 이 다시 꼴의 2-벡터입니다. 강의는 7차원에도 외적이 있지만 이 방식과 닮지 않은 별난 구성이라고만 짧게 언급합니다.
정리
이 글에서 확인한 것은 다음과 같습니다.
- 호지 쌍대는 로 정의합니다. 내적과 쐐기곱이 각각 실수 하나를 주고, 최대 차수가 1차원이기 때문에 맞붙일 수 있습니다.
- 정규직교 기저에서 는 순열 부호 와 의 번호마다 인 내적을 곱해 에 놓는 한 줄입니다.
- 3차원 유클리드에서는 순열 부호만 부호를 정하고, 4차원 로런츠에서는 이 든 기저에 메트릭의 이 더해집니다.
- 이고 라서, 로런츠에서는 쌍대를 두 번 하면 부호가 바뀔 수 있습니다.
- 3차원에서 이고, 외적이 벡터로 돌아오는 것은 일 때뿐입니다.
다음 편에서는 메트릭 없이도 만들 수 있는 다른 쌍대를 봅니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 35 of the playlist, Elementary Hodge Dual Calculations. The video of the previous post, lecture 33/34, runs 1 hour 41 minutes, so I split the notes in two. The first half is in the previous post. This post starts from the latter part of that video, the definition of the Hodge dual, and continues with the examples of lecture 35.
The latter part of the previous video: defining the Hodge dual
Suppose an -dimensional vector space has an inner product. It induces an inner product on the dual space, and then an inner product on the space of -forms. For simple forms it is given by a determinant.
There are two ways to get one real number from a -form . The first is the inner product. Choose a reference -form and take . The second is the wedge product. Choose a reference -form and form , which lies in the space of top degree . That space is one-dimensional, so the result is a real multiple of the unit volume form , that is, of the form , and we get one real number . If we demand that the two ways give the same real number, then is determined by , and this is the Hodge dual.
So sends an element of to an element of . The two spaces have the same dimension, and is an isomorphism that we can use in both directions. Because the top degree is one-dimensional, each of the two methods gives exactly one real number and they can be matched. In higher dimensions we would get several real numbers and this matching would not work.
Q. Where does the metric enter in the definition of the Hodge dual?
A. In the inner product on the right side. The inner product of the vector space induces the inner product of forms, so if the metric changes, the dual of the same changes. Also, fixing the order in amounts to fixing an orientation, so we agree to take as the positive orientation.
Three facts follow directly from the definition.
- is linear. So once we know the duals of the basis forms, the dual of any form comes from pulling out the components and substituting.
- For the basis of the 0-forms, is a function, so and . This holds for any dimension and any metric.
- Putting in gives , and in an orthonormal basis is the determinant of . Its diagonal entries are , so the value depends on how many are negative. If the metric has positive eigenvalues, there are negative ones, and .
In an orthonormal basis, the dual of a basis form is written in one line. Here are the indices not among .
There is no summation sign, because fixing the fixes the set of . Whatever order we write the in, the sign of the wedge product and the sign of change together and the result is the same. The inner products multiplied in are , so the signature of the metric appears only as a sign. (The reason this formula satisfies the definition is added for understanding. Wedge onto both sides; since the right side becomes . This was not covered in the lecture.)
The dual of 1-forms in 3D Euclidean space
Now the calculations of lecture 35. First is with a Euclidean metric whose signature is three positives. In the coordinates , the form is the positive volume form. All the inner products are , so only decides the sign.
For the index set is and the remaining indices are . Any order is allowed, so we take increasing order. Since , we get . For the remaining indices are , and is an odd permutation with one swap, so it is . For , is an even permutation with two swaps, so it is .
By linearity an arbitrary 1-form keeps its components.
Elementary textbooks use and rewrite as by flipping the order, which removes the minus sign. These notes keep the increasing basis and leave the minus sign.
Q. Why does the dual of carry a minus sign?
A. Because is an odd permutation, one swap away from . Since , it is the same object with the order changed, and the dual is the same whichever way we write it.
The dual of 2-forms and the top degree in 3D
2-forms work the same way. One index remains each time, and the metric factors are .
This is because and . An arbitrary 2-form becomes this.
The spaces of 1-forms and 2-forms are both three-dimensional, and moves the components of one into the other. This is natural, since the dimensions of degrees and are always equal. In the top degree, , which agrees with from the definition.
The dual of 1-forms and 2-forms in 4D Lorentzian space
The second case is with a Lorentzian metric of signature three positives and one negative. The indices are , with and the others . The positive volume form is . Now the metric product decides the sign along with .
For the 1-form , and the metric factor is , so a minus sign appears. For , the remaining indices are , is an even permutation with two swaps, , and the factor is .
For 2-forms both factors appear. For , and the metric product is . For , and the metric product is , so two minus signs meet and give a plus.
In four dimensions the space of 2-forms is six-dimensional and is also 2, so sends this space to itself. We have to put parentheses around the wedge of two forms and write . Without parentheses, does not say whether the dual comes first or the wedge does.
3-forms in 4D and the double dual
3-forms are computed by the same rule.
The first has with metric factor . The second has with factor , which gives a plus. A basis containing always has metric product , and one without it has . That each result is a 1-form, as the dual of a 3-form should be, is checked by .
What remains are and . Earlier we had and . Therefore . Taking the dual twice may change the sign instead of returning to the start, and the signature decides it. The lecture says the sign depends only on the parity of the signature. In the signature with one positive and three negatives, is odd too, so we get the same .
The general double dual formula is read off from all the calculations above. On a -form, , and I checked it on every basis form in the two spaces of this post. (This formula is added for understanding and was not covered in the lecture.) In 3D Euclidean space is always even and , so .
Q. Why does taking the dual twice not always return to the start?
A. Each dual adds a sign from the product of inner products and a sign from the permutation that reorders the indices. Going through twice multiplies all these signs again, and if an odd number of negative inner products remain, a minus sign is left. In Euclidean space there are none.
The toy below shows this calculation step by step for every basis form of the two spaces. Pick the indices and check the permutation sign, the metric product, the result, and the sign of the double dual.
The cross product is one dual
In elementary physics the cross product is an operation that makes one vector out of two 3D vectors. , , . These rules come from the 3D duals computed above. The same formula works on the vector side, and for the basis vectors it gives this.
The three equations come from . So the cross product is the operation that first makes a 2-vector by the wedge product and returns to a vector by the dual.
Q. Why is the cross product defined this way only in three dimensions?
A. Because lies in the degree-2 space and sends it to the degree- space. To return to vectors we need , so . In four dimensions, is again a 2-vector of the form . The lecture only mentions in passing that a cross product also exists in seven dimensions, but by an odd construction unlike this one.
Summary
What we checked in this post is the following.
- The Hodge dual is defined by . The inner product and the wedge product each give one real number, and the top degree being one-dimensional is what lets us match them.
- In an orthonormal basis, is a one-line rule: multiply the permutation sign by the inner product for each index of , and put the result on .
- In 3D Euclidean space only the permutation sign decides the sign, while in 4D Lorentzian space a basis containing picks up the metric’s .
- Since and , in Lorentzian space the double dual can change the sign.
- In 3D, , and the cross product returns to a vector only when .
The next post looks at other dualities that can be built even without a metric.
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