Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
Tensor series, part 36: drawing a vector as an arrow and a dual vector as a stack of planes, how the two change oppositely when the basis size changes, and the dual space mapping read as the number of planes crossedTensor 시리즈 36편: 벡터를 화살표로, 듀얼 벡터를 평면 묶음인 스택으로 그리는 법, 기저 크기를 바꿀 때 둘이 반대로 변하는 모습, 건너는 면의 수로 읽는 듀얼 스페이스 맵핑
Tensor series텐서 시리즈Part 36 of 4040편 중 36번째
- 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
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 37강 Visualization of Forms: Arrows and Stacks에 해당합니다. 지난 편까지는 벡터와 형식을 모두 맵으로 다루며 추상으로 쌓아 왔습니다. 이번 편부터 몇 편에 걸쳐 그 대상들을 그림으로 그려 봅니다.
시각화를 대하는 태도
강의는 단서를 먼저 답니다. 시각화는 직관의 다른 이름이고, 직관은 쉽게 이해하고 싶다는 바람입니다. 그런데 지금까지 쌓은 맵, 듀얼 스페이스, 내적이 정하는 메트릭, 다양체와 좌표계는 모두 추상입니다. 양자역학에서 파동함수에 대한 직관이 규칙을 익힌 뒤에 생기듯, 이 시리즈도 추상 규칙을 먼저 배우고 직관을 나중에 붙이는 순서를 따랐습니다. 첨자 놀음은 원래 추상을 가리는 목발이었지만, 우리는 추상을 앞에 꺼내 놓고 설명했으니 이제 그림을 그려도 됩니다.
참고하는 책은 둘입니다. 하나는 미스너·손·휠러의 《Gravitation》(MTW)입니다. 형식과 벡터를 그린 그림과 곁상자가 많지만 처음 읽기에는 방대합니다. 다른 하나는 가브리엘 와인라이히의 《Geometrical Vectors》로, 120쪽 안팎의 얇은 책이 시각화를 끝까지 밀고 갑니다. 이 책은 형식이나 쐐기곱이라는 낱말을 쓰지 않으니 이 시리즈의 말로 옮겨 읽어야 합니다. 둘 다 3차원에서 시작하고, 이 글도 그렇게 합니다.
화살표
와인라이히는 벡터 스페이스 의 원소를 화살표라고 부릅니다. 실수 위의 3차원 벡터 스페이스이고 기저는 입니다. 내적은 주지 않습니다. 그러니 좌표축을 그려도 서로 수직이라는 말은 뜻이 없고, 기저 방향을 그은 것에 불과합니다. 화살표는 꼴로 성분 셋과 기저가 정합니다.
좌표계를 돌려도 화살표는 그대로이고 성분만 바뀝니다. 더 눈여겨볼 변화는 기저의 크기를 늘리거나 줄이는 것입니다. 센티미터로 재던 기저를 미터로 바꾸면 기저 벡터가 100배 길어지고, 같은 화살표를 나타내는 성분은 100분의 1로 줄어듭니다. 성분이 기저와 반대로 움직여 곱 가 그대로이기 때문입니다. 고전 텐서 교재는 이런 성분을 반변 벡터라고 부릅니다. 이 시리즈는 그냥 벡터라고 불러 왔고, 화살표는 와인라이히의 이름입니다.
스택
듀얼 스페이스 의 원소는 스택이라고 부릅니다. 3차원이고 기저는 입니다. 스택은 벡터 스페이스에 속하니 벡터이기도 하고, 화살표의 듀얼 스페이스에 있으니 코벡터이기도 합니다. 어느 쪽으로 부르든 화살표와는 서로 다른 스페이스의 원소입니다.
그림은 평면을 쌓은 모양입니다. 기저 스택 은 방향으로 단위 길이마다 평면이 하나씩 있는 무한한 평면 묶음이고, 방향을 알리는 화살촉이 붙습니다. 2차원이라면 평면 묶음은 직선 묶음이 됩니다. 평면에는 같은 번호를 매길 수 있고, 번호 사이에는 소수 번호의 평면도 있다고 생각합니다. 화살표를 결정하는 것이 길이와 방향이었다면, 스택을 결정하는 것은 평면의 밀도와 방향입니다. 기저 단위가 센티미터이면 기저 스택은 1센티미터에 한 장입니다.
도 같은 방식으로 그립니다. 평면 묶음들이 한 점에서 겹쳐 보이는 것은 그림의 사정일 뿐입니다. 서로 다른 스택이니 겹치는 일이 문제가 되지 않습니다.
Q. 이 그림은 우리가 사는 공간 안에 그리는 건가요?
A. 아닙니다. 공간의 한 점마다 탄젠트 스페이스가 붙고, 화살표는 그 점의 탄젠트 스페이스 안에 그립니다. 스택은 같은 점의 코탄젠트 스페이스 안에 그립니다. 벡터장을 실제 공간에 화살표로 그리는 습관이 있지만, 화살표가 속한 곳은 공간의 점이 지닌 탄젠트 스페이스입니다.
스택끼리 더하기
스택도 벡터 스페이스의 원소이니 더할 수 있습니다. 을 보겠습니다. 두 평면 묶음을 옆에서 보면 두 직선 묶음이 격자를 이룹니다. 그 격자의 칸을 가로지르는 대각선들을 이으면 새 평면 묶음이 되고, 화살촉은 두 화살촉 사이를 가리킵니다. 반대편 대각선을 이으면 이 됩니다. (이 설명은 합의 평면이 꼴이라는 계산에서 읽어 낸 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 이렇게 더한 결과는 여전히 스택 하나입니다. 격자나 달걀판 모양은 합과 다른 연산에서 나오는데, 그것은 다음 편의 이야기입니다.
전기장은 스택입니다
평행판 축전기를 봅시다. 두 판 사이의 거리를 나타내는 변위 는 화살표입니다. 단위를 1센티미터에서 미터로 바꾸면 변위의 수는 1에서 0.01로 줄어듭니다. 판 사이의 실제 거리는 그대로입니다. 전압이 같을 때 전기장은 이므로, 센티미터로 잴 때 이던 수가 미터로 잴 때 가 되어 100배 커집니다. 화살표라면 줄어야 할 자리에서 전기장은 늘어났습니다.
수학에서 이것은 약속이 아니고 판별 기준입니다. 좌표계를 늘이고 줄이고 돌릴 때 서로 다르게 바뀌는 것은 서로 다른 종류의 대상입니다. 회전에는 화살표와 똑같이 반응하므로 둘의 차이는 크기를 바꿀 때 드러납니다. 전기장은 스택입니다. 기저를 미터로 바꾸면 1센티미터에 한 장이던 평면 묶음이 1미터에 100장이 되고, 이 밀도가 스택의 성분입니다. 성분이 기저와 같은 쪽으로 늘어나니 공변입니다.
이 그림은 전압도 읽게 해 줍니다. 스택의 평면을 전압이 같은 면(등전위면)으로 보면, 두 지점 사이의 전압은 그 사이 변위 화살표가 건너는 면의 수입니다. (이 해석은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 강의는 다음 절의 건너는 면의 수를 일반적으로 설명합니다.)
Q. 전기장을 화살표로 그려 온 것은 틀린 건가요?
A. 회전만 하는 문제에서는 화살표로 그려도 어긋나지 않습니다. 하지만 단위를 바꾸면 성분이 늘어나서 화살표처럼 줄어들지 않습니다. 그림이 간단해서 화살표를 쓸 뿐이고, 성분이 바뀌는 규칙은 스택의 것입니다.
화살표와 스택의 관계
메트릭 가 있으면 화살표 를 한 자리에 넣어 를 얻고, 이것은 다른 벡터를 기다리는 듀얼 벡터 곧 스택입니다. 그래서 둘은 자주 짝지어지지만 같은 대상이 아닙니다. 스택의 밀도를 길이로 하는 화살표 하나로 스택을 그리고 싶은 유혹이 있습니다. 성긴 스택에는 짧은 화살표를, 촘촘한 스택에는 긴 화살표를 붙이면 되기 때문입니다. 하지만 기저 크기를 바꾸면 화살표 성분은 줄고 스택 성분은 늘어서 두 화살표가 다르게 바뀝니다. 기하를 바르게 이해하려면 평면이 쌓인 그림을 써야 합니다.
듀얼 스페이스 맵핑
이제 지난 편까지 계속 써 온 규칙, 곧 듀얼 벡터가 벡터를 받아 실수를 내놓는 일을 그림으로 읽습니다. 와인라이히는 화살표 와 스택 에 대해 라는 점곱을 정의합니다. 이것은 내적과 다른 듀얼 스페이스 맵핑입니다. 내적 없이도 정의되고, 성분으로는 입니다.
듀얼 스페이스 맵핑의 값은 화살표가 건너는 스택의 면의 수입니다. 화살표를 스택 위에 놓고 평면을 세면 됩니다. 평면 네 장과 반을 건너면 값이 4.5이고, 두 장을 건너면 2입니다. 화살표가 평면과 나란하면 한 장도 건너지 않으니 값이 0이고, 이때 화살표는 스택 안에 들어 있다고 말합니다. 화살표가 놓인 자리는 중요하지 않습니다. 두 대상이 같은 점의 탄젠트 스페이스와 코탄젠트 스페이스에서 왔다는 것만 중요합니다. 다른 점의 코탄젠트 스페이스에 있는 스택은 이 화살표를 받지 못합니다.
이 값은 기저 크기를 바꿔도 변하지 않습니다. 기저를 늘이면 스택의 성분은 늘고 화살표의 성분은 줄어서 서로 지워집니다. 이 점은 다음 강의 첫머리에서 짚는 내용이고, 앞으로 연산을 만들 때마다 좌표 변경에 불변인지 확인하는 기준이 됩니다.
Q. 스택의 면 간격은 무엇으로 정해지나요?
A. 성분이 정합니다. 2차원에서 스택 성분이 이면 면은 꼴이고, 거리를 잴 수 있을 때 인접한 면의 간격은 입니다. 성분이 클수록 촘촘합니다. (이 식은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
아래 장난감에서 파란 점으로 화살표를, 초록 점으로 스택을 끌어 보세요. 건너는 면이 굵게 표시되고, 기저 크기를 바꾸면 성분이 반대로 변해도 건너는 면의 수는 그대로입니다.
정리
이번 편에서 확인한 것은 다음과 같습니다.
- 화살표는 벡터 스페이스의 원소이고, 기저 크기를 늘리면 성분이 줄어듭니다. 이 시리즈에서는 벡터입니다.
- 스택은 듀얼 스페이스의 원소이고, 평면을 쌓은 그림으로 그립니다. 성분은 평면의 밀도이고 기저 크기를 늘리면 함께 늘어납니다.
- 전기장은 단위를 바꾸면 늘어나므로 스택으로 읽어야 합니다. 변위는 화살표입니다.
- 화살표와 스택의 점곱은 내적과 다른 듀얼 스페이스 맵핑이고, 화살표가 건너는 면의 수로 읽으며 좌표 변경에 불변입니다.
3차원에서 -형식의 차원은 에 대해 입니다. 1-형식과 1-벡터를 그렸으니 남은 것은 2-형식, 2-벡터, 3-형식, 3-벡터입니다. 다음 편에서 그 그림들을 이어서 그립니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 37 of the playlist, Visualization of Forms: Arrows and Stacks. Up to the previous post we treated vectors and forms as maps and built everything abstractly. From this post on, over several posts, we draw those objects as pictures.
How to treat visualization
The lecture opens with a caveat. Visualization is another name for intuition, and intuition is a wish to understand things easily. But the maps, dual spaces, metrics fixed by an inner product, and manifolds and coordinate systems we have built so far are all abstract. Just as intuition for the wave function in quantum mechanics comes after learning the rules, this series followed the order of learning the abstract rules first and attaching intuition afterward. Index gymnastics was originally a crutch that hid the abstraction, but we explained the abstraction up front, so now we may draw pictures.
There are two reference books. One is Misner, Thorne, and Wheeler’s Gravitation (MTW). It has many figures and sidebars drawing forms and vectors, but it is vast for a first read. The other is Gabriel Weinreich’s Geometrical Vectors, a thin book of about 120 pages that pushes visualization all the way. It does not use the words form or wedge product, so we must translate it into the language of this series. Both start in three dimensions, and so does this post.
Arrows
Weinreich calls an element of the vector space an arrow. It is a three-dimensional vector space over the reals with basis . We give no inner product. So even if we draw coordinate axes, saying they are perpendicular has no meaning, and they are just lines drawn along the basis directions. An arrow takes the form and is fixed by three components and the basis.
Rotating the coordinate system leaves the arrow as it is and changes only the components. A more notable change is stretching or shrinking the size of the basis. If we change a basis measured in centimeters to meters, the basis vectors become 100 times longer, and the components that describe the same arrow shrink to one hundredth. This is because the components move opposite to the basis, so the product stays the same. Classical tensor textbooks call such components a contravariant vector. This series has simply called it a vector, and arrow is Weinreich’s name.
Stacks
An element of the dual space is called a stack. It is three-dimensional with basis . A stack belongs to a vector space, so it is also a vector, and it lives in the dual space of the arrows, so it is also a covector. Whichever name we use, it is an element of a different space from the arrows.
The picture is a pile of planes. The basis stack is an infinite set of planes with one plane for each unit length along , and a small arrowhead marks the direction. In two dimensions the set of planes becomes a set of lines. The planes can be numbered like , and we imagine planes with fractional numbers between them as well. If length and direction fix an arrow, density and direction of the planes fix a stack. If the basis unit is a centimeter, the basis stack has one plane per centimeter.
We draw the same way. That the sets of planes seem to overlap at a point is only a matter of the drawing. They are different stacks, so overlapping is no problem.
Q. Do we draw this picture inside the space we live in?
A. It is not drawn there. Every point of space carries a tangent space, and an arrow is drawn inside the tangent space of that point. A stack is drawn inside the cotangent space of the same point. We have a habit of drawing vector fields as arrows in real space, but an arrow belongs to the tangent space at a point, which is a different thing from the point of space itself.
Adding stacks
A stack is also an element of a vector space, so we can add stacks. Take . Seen from the side, the two sets of planes form a grid of lines. Joining the diagonals across the cells of that grid gives a new set of planes, and its arrowhead points between the two arrowheads. Joining the opposite diagonals gives . (This explanation reads the picture off the computation that the planes of the sum have the form and was not covered in the lecture.) The result of such an addition is still a single stack. The lattice or egg-crate shape comes from a different operation than the sum, and that is the subject of the next post.
The electric field is a stack
Consider a parallel-plate capacitor. The displacement that expresses the distance between the plates is an arrow. If we change the unit from 1 centimeter to meters, the number for the displacement shrinks from 1 to 0.01. The actual distance between the plates is unchanged. For the same voltage the electric field is , so the number that was in centimeters becomes in meters and grows 100 times. Where an arrow would shrink, the electric field grew.
In mathematics this is a test and no mere convention. Things that change differently when we stretch, shrink, or rotate the coordinate system are different kinds of objects. Under rotation it reacts exactly like an arrow, so the difference shows when the size changes. The electric field is a stack. When the basis changes to meters, a set of planes with one plane per centimeter has 100 planes per meter, and this density is the component of the stack. The component grows in the same direction as the basis, so it is covariant.
The picture also lets us read the voltage. If we regard the planes of the stack as surfaces of equal voltage (equipotential surfaces), the voltage between two places is the number of planes the displacement arrow between them crosses. (This interpretation is added for understanding and was not covered in the lecture. The lecture explains the number of planes crossed in general in the next section.)
Q. Was it wrong to draw the electric field as an arrow?
A. In problems with only rotation, drawing it as an arrow causes no discrepancy. But when the unit changes, the components grow and do not shrink like an arrow’s. We use an arrow only because the picture is simple, and the rule by which the components change belongs to a stack.
The relation between arrows and stacks
If there is a metric , we put an arrow into one slot to get , which is a dual vector waiting for another vector, that is, a stack. So the two are often paired, but they are not the same object. There is a temptation to draw a stack with a single arrow whose length is the stack’s density, a short arrow for a sparse stack and a long arrow for a dense one. But when the basis size changes, the arrow components shrink and the stack components grow, so the two arrows change differently. To understand the geometry correctly we must use the picture of stacked planes.
The dual space mapping
Now we read in pictures the rule we have used all along, that a dual vector takes a vector and gives a real number. For an arrow and a stack , Weinreich defines a dot product . It is the dual space mapping, which differs from an inner product. It is defined without an inner product, and in components it is .
The value of the dual space mapping is the number of planes of the stack that the arrow crosses. Lay the arrow on the stack and count the planes. Crossing four and a half planes gives 4.5, and crossing two planes gives 2. If the arrow is parallel to the planes it crosses none, so the value is 0, and then we say the arrow is contained in the stack. Where the arrow is placed does not matter. What matters is only that both objects come from the tangent space and cotangent space of the same point. A stack in the cotangent space of another point cannot take this arrow.
This value does not change when the basis size changes. Stretching the basis grows the stack’s components and shrinks the arrow’s components, so they cancel. This point is made at the start of the next lecture, and it becomes the test for every operation we build from now on, whether it is invariant under changes of coordinates.
Q. What fixes the spacing of the planes of a stack?
A. The components. In two dimensions, if the stack components are , the planes have the form , and when we can measure distance the spacing between neighboring planes is . The larger the components, the denser the planes. (This formula is added for understanding and was not covered in the lecture.)
In the toy below, drag the arrow with the blue point and the stack with the green point. The planes crossed are drawn bold, and when you change the basis size the components change oppositely but the number of planes crossed stays the same.
Summary
What we confirmed in this post is the following.
- An arrow is an element of the vector space, and its components shrink when the basis size grows. In this series it is a vector.
- A stack is an element of the dual space, drawn as a pile of planes. Its components are the density of the planes and grow along with the basis size.
- The electric field grows when the unit changes, so it must be read as a stack. The displacement is an arrow.
- The dot product of an arrow and a stack is the dual space mapping, which differs from an inner product. It is read as the number of planes the arrow crosses, and it is invariant under changes of coordinates.
In three dimensions the dimensions of the -forms for are . We have drawn 1-forms and 1-vectors, so what remains are 2-forms, 2-vectors, 3-forms, and 3-vectors. In the next post we continue drawing those pictures.
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