Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집

Tensor series, part 37: the thumbtack, a piece of area made by two arrows, the honeycomb and the sheaf made by two stacks, the right-hand rule and orientation, and the dual space mapping between thumbtacks and honeycombsTensor 시리즈 37편: 두 화살표가 만드는 넓이 조각인 압정, 두 스택이 만드는 벌집과 다발, 오른손 규칙과 방향, 압정과 벌집 사이의 듀얼 스페이스 맵핑

Tensor series텐서 시리즈Part 37 of 4040편 중 37번째
  1. Tensor #1. Elementary Vector Space텐서 #1. 기초적인 벡터 스페이스
  2. Tensor #2. Einstein Notation and Maps텐서 #2. 아인슈타인 표기법과 맵
  3. Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스
  4. Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트
  5. Tensor #5. Tensor Products텐서 #5. 텐서 프로덕트
  6. Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
  7. Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크
  8. Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환
  9. Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환
  10. Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스
  11. Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
  12. Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스
  13. Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션
  14. Tensor #14. Vector and Tensor Fields텐서 #14. 벡터장과 텐서장
  15. Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
  16. Tensor #16. The Metric Tensor Field텐서 #16. 메트릭 텐서장
  17. Tensor #17. The Covariant Derivative (Elementary Pedagogy)텐서 #17. 공변 미분 (초보적인 방법)
  18. Tensor #18. The Covariant Derivative, Continued텐서 #18. 공변미분 이어서
  19. Tensor #19. Algebraic Structures I텐서 #19. 대수 구조 I
  20. Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지
  21. Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분
  22. Tensor #22. Invitation to p-forms텐서 #22. p-형식으로의 초대
  23. Tensor #23. Operations on p-forms: The Exterior Algebra텐서 #23. p-형식의 연산과 외대수
  24. Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
  25. Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습
  26. Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습
  27. Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1
  28. Tensor #28. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 2텐서 #28. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 2
  29. Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
  30. Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
  31. Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
  32. Tensor #32. Tensor Density Examples텐서 #32. 텐서 밀도의 예
  33. Tensor #33. Duality and the Hodge Dual (Part 1)텐서 #33. 쌍대성과 호지 쌍대 (1부)
  34. Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
  35. Tensor #35. Other Notions of Duality텐서 #35. 또 다른 쌍대
  36. Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
  37. Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집
  38. Tensor #38. All Possible Operations텐서 #38. 가능한 모든 연산
  39. Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
  40. 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 38강 Tacks and Sheaves, Honeycombs에 해당합니다. 지난 편에서 벡터를 화살표로, 듀얼 벡터를 스택으로 그렸습니다. 이번 편은 화살표 두 개와 스택 두 개를 엮어 만드는 새 그림을 그립니다.

불변이어야 하는 연산

지난 편의 듀얼 스페이스 맵핑 a⋅ba \cdot b는 기저를 늘려도 값이 같았습니다. 스택의 성분은 늘고 화살표의 성분은 줄어서 서로 지워지기 때문입니다. 이 성질이 이번 편의 길잡이입니다. 좌표를 어떻게 바꿔도 같은 답이 나와야 의미 있는 연산이고, 새 대상을 만들 때마다 그 대상이 기저 크기를 바꿀 때 어떻게 변하는지 확인합니다.

화살표 두 개를 엮으면

화살표 두 개를 받아 무언가를 내놓는 연산을 생각해 봅시다. 값이 실수라면 (0,2)(0,2) 텐서 프로덕트 스페이스의 원소가 됩니다. 하지만 실수일 필요는 없고, 불변이기만 하면 됩니다. 초등 물리에서는 두 화살표 a,ca, c의 외적을 화살표 dd로 만들었습니다. dd는 a,ca, c와 수직이고 길이는 둘이 이루는 평행사변형의 넓이입니다. 이것은 내적이 있어야 수직이 뜻을 가집니다. 내적이 없으면 수직을 말할 수 없습니다. 게다가 기저 크기를 uu배 키우면 두 변의 성분이 각각 1/u1/u배가 되어 넓이의 성분은 1/u21/u^2배가 됩니다. 화살표의 성분은 1/u1/u배로 변하니 이 결과는 화살표처럼 변하지 않습니다.

그래서 와인라이히는 새 대상을 만들고 압정thumbtack이라고 부릅니다. 압정은 두 화살표가 이루는 평행사변형을 방향과 함께 본 것입니다. 모양은 상관없고 넓이와 방향만 정해집니다. 길게 늘이든 짧게 누르든 넓이가 같으면 같은 압정입니다. 평면을 무한히 늘린 스택과는 전혀 다른, 크기가 있는 작은 넓이 조각입니다.

이 시리즈의 말로는 압정이 V∧V\V \wedge \V의 원소입니다. 3차원에서는 이 스페이스도 3차원이고, 기저는 e1∧e2,  e2∧e3,  e3∧e1e_1 \wedge e_2, \; e_2 \wedge e_3, \; e_3 \wedge e_1입니다. 이 압정들이 e1,e2e_1, e_2가 만드는 평행사변형을 비롯한 기저 방향의 단위 넓이 조각이고, 일반 압정은 이 셋의 일차결합입니다. 성분은 기저 방향마다 넓이를 재어 얻습니다. 지난 편의 화살표 성분이 기저 방향의 길이, 스택 성분이 기저 방향의 밀도였던 것과 같은 방식입니다. 기저를 uu배로 키우면 압정 성분은 1/u21/u^2배가 되고, V∧V\V \wedge \V 원소의 규칙으로 변하며, 화살표의 규칙과 다릅니다.

V\V, V∗\V^*, V∧V\V \wedge \V가 모두 3차원인 것은 우연입니다. 3차원이어서 (32)=3\binom{3}{2} = 3이 맞아떨어졌을 뿐이고, 다른 차원에서는 달라집니다.

압정의 덧셈과 상수배

압정도 벡터 스페이스의 원소이니 더하고 상수를 곱할 수 있습니다. 상수배는 넓이를 상수배로 키우는 것입니다. 덧셈은 기하로 합니다. 두 압정이 변 하나를 공유하도록 돌려 놓으면, 나머지 변들을 이어 붙인 평행사변형이 합이 됩니다. 식으로는 (a∧b)+(c∧b)=(a+c)∧b(a \wedge b) + (c \wedge b) = (a + c) \wedge b입니다. (이 식은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 강의는 그림으로만 보입니다.) 방향이 반대인 두 압정은 변을 맞붙이면 넓이가 지워지고 합이 영 압정입니다.

Q. 압정의 모양이 정해져 있지 않다면 평행사변형으로 그려도 되나요?
A. 그려도 됩니다. 와인라이히가 평행사변형으로 그리는 까닭은 두 화살표에서 만들었다는 것을 보이기 위해서입니다. 압정이 가진 정보는 넓이와 방향뿐이라서 같은 넓이와 방향이면 어떤 모양으로 그려도 같은 압정입니다. 실제 넓이 비교와 합은 모양을 맞춰 가며 합니다.

방향과 오른손 규칙

압정에 화살촉을 달려면 오른손 규칙을 씁니다. 이것은 임의의 선택입니다. 오른손과 왼손 중 어느 쪽이 맞는지 수학이 정해 주지 않으니 정준canonical이 아닙니다. 이 선택의 정체는 방향orientation입니다. 기저를 e1,e2,e3e_1, e_2, e_3의 순서로 놓았을 때 최고 차수 형식 e1∧e2∧e3e^1 \wedge e^2 \wedge e^3의 성분이 양수이면 양의 방향이라고 정합니다. 3차원에서 3-형식의 스페이스는 1차원이어서 성분은 양수 아니면 음수입니다. 양수이면 오른손 방향이고 음수이면 왼손 방향입니다. 기저를 아무리 많이 골라도 모두 양의 부류와 음의 부류 둘 중 하나에 들어갑니다.

방향을 정하면 오른손 규칙으로 회전 표시를 화살촉으로 바꿀 수 있습니다. 방향을 정하지 못하는 경우도 있습니다. 뫼비우스 띠가 그렇고, 그때는 화살촉 자리에 회전 표시curlicue를 붙인 그림을 따로 써야 합니다. 이 강의는 방향이 주어진 다양체와 공간만 다루고 모든 그림에 화살촉을 씁니다.

와인라이히의 외적은 쐐기곱

와인라이히가 외적이라 부르는 것은 우리의 쐐기곱 a∧ba \wedge b입니다. 그는 결과를 새 대상으로 정의하지만, 우리에게는 쐐기곱이 연산 하나로 이미 있고 그 결과가 곧 새 대상입니다. 우리 정의가 더 근본적입니다.

초등 물리의 외적처럼 결과를 화살표로 받으려면 호지 쌍대이 필요합니다. 3차원에서는 V\V, V∧V\V \wedge \V, V∧V∧V\V \wedge \V \wedge \V의 차원이 3,3,13, 3, 1입니다. 호지 쌍대Hodge dual은 메트릭과 방향을 주어야 압정을 화살표로 보내 줍니다. 그러니 교재에서 보는 외적은 쐐기곱에 호지 쌍대을 이은 것입니다. MTW는 압정을 따로 이름 붙이지 않고 두 벡터 u∧vu \wedge v를 평행사변형으로 그립니다. 같은 일을 하는 그림입니다.

Q. 외적의 결과를 화살표로 두면 편한데 왜 압정을 따로 만드나요?
A. 그 화살표는 내적이 있어야 정해지고, 기저 크기를 바꾸면 화살표 규칙과 다르게 변합니다. 압정은 메트릭 없이 정해지고 변환 규칙도 맞습니다.

스택 두 개와 벌집

이번에는 스택 두 개를 엮습니다. 압정은 두 화살표를 놓아 둔 채 평행사변형으로 완성한 것이었습니다. 스택도 같게 합니다. 지난 편의 덧셈은 두 평면 묶음에서 새 평면 묶음 하나를 찾는 일이었습니다. 이번에는 두 묶음을 그대로 두고 둘의 교차 구조를 통째로 봅니다. 두 평면 묶음이 겹치면 사각 기둥(관)이 늘어선 구조가 되고, MTW는 이것을 벌집honeycomb이라고 부릅니다.

이 벌집에도 방향이 있습니다. 첫째 스택에서 둘째 스택으로 도는 회전을 오른손 규칙에 맞춰 화살촉으로 바꾸면, 기둥이 뻗는 쪽이 정해집니다. 이 대상은 α∧β∈V∗∧V∗\alpha \wedge \beta \in \V^* \wedge \V^* 곧 2-형식입니다. 3차원에서 이 스페이스도 3차원이고, 덧셈과 상수배가 있습니다.

벌집의 성분은 기둥 단면의 칸 밀도, 곧 단위 넓이 안에 칸이 몇 개 있는지입니다. 두 스택이 모두 촘촘하면 칸이 작아 밀도가 높고, 한쪽이 성기면 칸이 큽니다. 그리고 두 스택의 방향이 비슷해질수록 밀도가 0에 가까워집니다. 두 화살표가 거의 같은 직선 위에 있으면 변이 길어도 평행사변형의 넓이가 거의 0인 압정과 같은 성질입니다. 압정은 화살표 둘이 이룬 넓이였고 벌집은 스택 둘이 이룬 밀도이니 서로 짝입니다.

다발

와인라이히는 벌집을 쓰지 않습니다. 칸의 윤곽은 버리고 두 평면 묶음이 만나는 교선만 취하고, 각 교선에 오른손 규칙으로 화살촉을 붙입니다. 이렇게 화살촉이 달린 선들의 묶음을 다발sheaf이라고 부르고, 스택 둘을 엮은 결과로 정의합니다. 수학에서 쓰는 sheaf라는 낱말과는 관계가 없습니다.

선들을 교선에서 칸의 한가운데로 옮겨도 같은 다발입니다. 기둥마다 선 하나가 꿰어 있는 그림이 됩니다. 벌집을 쓰면 칸을 세고 다발을 쓰면 선을 세며, 단위 넓이당 개수가 성분입니다. 가는 선이 한 넓이 조각을 지나는 수는 공간을 연속적으로 변형해도 변하지 않습니다. 선이 넓이 조각의 경계 밖에 있으면 변형으로 안쪽에 들어올 수 없기 때문입니다. 물리에서 전자기장의 장선을 그리는 것이 바로 다발 그림이고, 같은 일을 벌집으로 그려도 됩니다.

압정과 벌집, 다발의 맵핑

이제 압정을 벌집이나 다발에 맞댑니다. 벌집은 V∗∧V∗\V^* \wedge \V^*의 원소이고, 이것은 유한 차원에서 압정이 사는 V∧V\V \wedge \V의 듀얼 스페이스입니다. 그러니 듀얼 스페이스 맵핑이 정의되고, 압정 안을 지나는 벌집의 칸 수를 나타내는 실수가 나옵니다. 기저 크기를 바꾸면 압정의 넓이 성분은 줄고 벌집의 밀도 성분은 늘어서 칸 수는 그대로입니다. 다발로 보아도 값은 같고, 압정 안을 뚫는 선의 수입니다. 선의 밀도는 선에 수직인 방향의 크기 변화에만 민감합니다.

화살표와 스택의 맵핑이 실수 하나인 것처럼, 여기서도 값은 불변인 실수 하나입니다. 성분으로 쓰면 이렇습니다.

(α∧β)(a,b)=α(a) β(b)−α(b) β(a)(\alpha \wedge \beta)(a, b) = \alpha(a)\,\beta(b) - \alpha(b)\,\beta(a)

(이 식은 쐐기곱을 α⊗β−β⊗α\alpha \otimes \beta - \beta \otimes \alpha로 정의했을 때의 것이고, 교재마다 1/21/2 배가 붙을 수 있으며, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 2차원에서는 우변이 det⁡(α,β)⋅det⁡(a,b)\det(\alpha, \beta) \cdot \det(a, b), 곧 칸 밀도와 넓이의 곱이 됩니다.

벌집과 다발은 같은 맵핑을 다르게 읽는 두 그림입니다. 3차원에서 부피 형식으로 2-형식을 벡터로 바꿀 수 있고, 그렇게 얻은 것이 가중치 1인 벡터 밀도입니다. 다발이 바로 이 벡터 밀도입니다. 마찬가지로 압정은 가중치 −1-1인 듀얼 벡터 곧 코벡터 용량과 같고, 이 둘은 서로 동형입니다. 동형이라는 것은 두 원소를 더한 뒤 옮기든 각각 옮긴 뒤 더하든 같다는 뜻입니다. MTW는 벌집 쪽에, 와인라이히는 다발 쪽에 머무르는 것은 두 그림이 동형이기 때문이고, 물리의 장선에 익숙한 쪽은 다발입니다. (벡터 밀도와 코벡터 용량으로 푼 이 설명은 강의가 이름만 짚은 내용을 성분으로 옮긴 것이고, 구체적인 성분 식 Bij=εijkSkB_{ij} = \varepsilon_{ijk} S^k은 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 여기서 BB가 2-형식이고 SS가 벡터 밀도입니다.)

Q. 벌집과 다발은 같은 대상인가요?
A. 서로 다른 스페이스의 원소이며, 두 스페이스는 동형입니다. 벌집은 2-형식이고 다발은 벡터 밀도입니다. 압정에 맞대어 얻는 실수는 같으므로, 그림을 고르는 것은 취향의 문제입니다.

아래 장난감에서 파란 점과 초록 점으로 압정을 만들어 보세요. 바탕의 벌집이 그 안에서 지나는 칸을 센 값과 ρ⋅A\rho \cdot A를 비교하고, 기저 크기를 바꿔도 곱이 그대로임을 확인합니다.

정리

이번 편에서 확인한 것은 다음과 같습니다.

  • 두 화살표의 외적을 화살표로 받으면 내적이 필요하고 변환도 맞지 않습니다. 그래서 와인라이히는 새 대상인 압정을 만듭니다. 압정은 방향이 있는 넓이 조각이고 우리 말로는 V∧V\V \wedge \V의 원소입니다.
  • 압정은 덧셈과 상수배를 가지고, 방향을 정하면 오른손 규칙으로 화살촉을 붙입니다. 방향은 임의의 선택이고 최고 차수 형식의 부호로 정해집니다.
  • 두 스택을 엮은 것은 2-형식이고, MTW는 벌집으로, 와인라이히는 다발로 그립니다.
  • 압정과 벌집 또는 다발의 맵핑은 듀얼 스페이스 맵핑으로 불변인 실수이고, 압정 안을 지나는 칸이나 선의 수입니다.

화살표, 스택, 압정, 벌집(다발) 네 가지로 벡터 쪽 대상은 거의 갖췄습니다. 이 대상들 사이의 남은 조합은 이어지는 강의에서 다룹니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 38 of the playlist, Tacks and Sheaves, Honeycombs. In the previous post we drew a vector as an arrow and a dual vector as a stack. This post draws new pictures made by combining two arrows and two stacks.

An operation must be invariant

The dual space mapping a⋅ba \cdot b of the previous post had the same value when the basis was stretched. This is because the components of the stack grow and the components of the arrow shrink, and they cancel. This property is our guide for this post. An operation is meaningful only when it gives the same answer however we change coordinates, and whenever we build a new object we check how that object changes when the basis size changes.

Combining two arrows

Consider an operation that takes two arrows and gives something. If the value is a real number, it is an element of a (0,2)(0,2) tensor product space. But it does not have to be a real number, only invariant. In elementary physics we made the cross product of two arrows a,ca, c into an arrow dd. The arrow dd is perpendicular to a,ca, c and its length is the area of the parallelogram they make. This needs an inner product for perpendicular to have a meaning. Without an inner product we cannot speak of perpendicularity. Moreover, if we scale the basis size up by uu, each of the two sides has its components multiplied by 1/u1/u, so the component of the area is multiplied by 1/u21/u^2. The components of an arrow change by 1/u1/u, so this result does not change like an arrow.

So Weinreich makes a new object and calls it a thumbtack. A thumbtack is the parallelogram made by two arrows, taken together with a direction. The shape does not matter, and only the area and direction are fixed. Whether stretched long or pressed short, if the area is the same it is the same thumbtack. It is a small piece of area with a size, quite different from a stack, which extends planes infinitely.

In the language of this series, a thumbtack is an element of V∧V\V \wedge \V. In three dimensions this space is also three-dimensional, with basis e1∧e2,  e2∧e3,  e3∧e1e_1 \wedge e_2, \; e_2 \wedge e_3, \; e_3 \wedge e_1. These thumbtacks are the unit area pieces in the basis directions, including the parallelogram made by e1,e2e_1, e_2, and a general thumbtack is a linear combination of the three. The components come from measuring the area in each basis direction. This is the same way that the arrow components of the previous post were lengths in basis directions and the stack components were densities in basis directions. When the basis is scaled up by uu, the thumbtack components are multiplied by 1/u21/u^2, and they change by the rule of an element of V∧V\V \wedge \V, which differs from the rule for an arrow.

That V\V, V∗\V^*, and V∧V\V \wedge \V are all three-dimensional is a coincidence. It is because (32)=3\binom{3}{2} = 3 happens to match in three dimensions, and in other dimensions it differs.

Adding thumbtacks and scalar multiples

A thumbtack is an element of a vector space, so we can add them and multiply by constants. A scalar multiple scales the area by that constant. Addition is done geometrically. Turn two thumbtacks so that they share one side, and the parallelogram made by joining the remaining sides is the sum. As a formula, (a∧b)+(c∧b)=(a+c)∧b(a \wedge b) + (c \wedge b) = (a + c) \wedge b. (This formula is added for understanding and was not covered in the lecture. The lecture shows it only as a picture.) Two thumbtacks with opposite directions have their areas cancel when their sides are put together, and the sum is the zero thumbtack.

Q. If the shape of a thumbtack is not fixed, may we still draw it as a parallelogram?
A. Yes. Weinreich draws a parallelogram to show that it was made from two arrows. A thumbtack carries only area and direction, so any shape with the same area and direction is the same thumbtack. Comparing areas and adding them is done by fitting the shapes.

Orientation and the right-hand rule

To put an arrowhead on a thumbtack we use the right-hand rule. This is an arbitrary choice. Mathematics does not say which of the right and left hand is correct, so it is not canonical. What this choice amounts to is orientation. When the basis is placed in the order e1,e2,e3e_1, e_2, e_3, we declare the orientation positive if the component of the top-degree form e1∧e2∧e3e^1 \wedge e^2 \wedge e^3 is positive. In three dimensions the space of 3-forms is one-dimensional, so the component is either positive or negative. If positive the orientation is right-handed, and if negative it is left-handed. However many bases we pick, each falls into one of two classes, the positive class or the negative class.

Once an orientation is fixed, the right-hand rule lets us turn a circulation mark into an arrowhead. There are cases where an orientation cannot be given. The Möbius strip is one, and there we would have to use pictures with a circulation mark (a curlicue) in the place of an arrowhead. This lecture treats only manifolds and spaces with an orientation given and uses arrowheads in every picture.

Weinreich’s cross product is the wedge product

What Weinreich calls the cross product is our wedge product a∧ba \wedge b. He defines the result as a new object, but for us the wedge product already exists as an operation and its result is the new object. Our definition is more fundamental.

To receive the result as an arrow, as in the cross product of elementary physics, we need the Hodge dual. In three dimensions the dimensions of V\V, V∧V\V \wedge \V, V∧V∧V\V \wedge \V \wedge \V are 3,3,13, 3, 1. The Hodge dual sends a thumbtack to an arrow only when a metric and an orientation are given. So the cross product in textbooks is the wedge product followed by the Hodge dual. MTW does not name the thumbtack separately and draws two vectors u∧vu \wedge v as a parallelogram. It is a picture that does the same job.

Q. It would be convenient to take the result of the cross product as an arrow, so why make a separate thumbtack?
A. That arrow is fixed only when an inner product exists, and when the basis size changes it changes differently from the arrow rule. A thumbtack is fixed without a metric, and its transformation rule also fits.

Two stacks and the honeycomb

This time we combine two stacks. A thumbtack was made by leaving two arrows in place and completing a parallelogram. We do the same with stacks. The addition of the previous post was finding one new set of planes from two sets of planes. This time we leave the two sets as they are and look at their whole intersecting structure. When two sets of planes overlap we get a structure of square columns (tubes) lined up, and MTW calls this a honeycomb.

This honeycomb also has a direction. Turn the circulation from the first stack to the second stack into an arrowhead by the right-hand rule, and the way the columns extend is fixed. This object is α∧β∈V∗∧V∗\alpha \wedge \beta \in \V^* \wedge \V^*, that is, a 2-form. In three dimensions this space is also three-dimensional and has addition and scalar multiplication.

The component of the honeycomb is the density of cells in the cross-section of the columns, that is, how many cells there are per unit area. If both stacks are dense the cells are small and the density is high, and if one is sparse the cells are large. And as the directions of the two stacks get closer, the density approaches 0. It is the same property as a thumbtack, where two arrows nearly on one line give a parallelogram of almost zero area even when the sides are long. A thumbtack was the area made by two arrows and a honeycomb is the density made by two stacks, so they are partners.

The sheaf

Weinreich does not use the honeycomb. He drops the outlines of the cells, takes only the lines where the two sets of planes meet, and puts an arrowhead on each line by the right-hand rule. A set of lines with arrowheads like this is called a sheaf, and he defines it as the result of combining two stacks. It has no relation to the word sheaf used in mathematics.

If we move the lines from the intersections to the centers of the cells, we get the same sheaf. It becomes a picture with one line threaded through each column. With the honeycomb we count cells and with the sheaf we count lines, and the count per unit area is the component. The number of thin lines passing through a piece of area does not change under continuous deformation of the space. A line outside the boundary of the piece cannot come inside by deformation. Drawing field lines of the electromagnetic field in physics is exactly the sheaf picture, and we could draw the same thing with a honeycomb.

The mapping between thumbtacks and honeycombs or sheaves

Now we put a thumbtack against a honeycomb or a sheaf. The honeycomb is an element of V∗∧V∗\V^* \wedge \V^*, and in finite dimensions this is the dual space of V∧V\V \wedge \V, where the thumbtack lives. So a dual space mapping is defined, and it gives a real number, the number of honeycomb cells passing through the thumbtack. When the basis size changes, the area component of the thumbtack shrinks and the density component of the honeycomb grows, so the cell count stays the same. Seen as a sheaf the value is the same, and it is the number of lines piercing the thumbtack. The density of the lines is sensitive only to size changes in the direction perpendicular to the lines.

Just as the mapping between an arrow and a stack is a single real number, here too the value is a single invariant real number. In components it reads as follows.

(α∧β)(a,b)=α(a) β(b)−α(b) β(a)(\alpha \wedge \beta)(a, b) = \alpha(a)\,\beta(b) - \alpha(b)\,\beta(a)

(This formula is for the wedge product defined as α⊗β−β⊗α\alpha \otimes \beta - \beta \otimes \alpha, a factor 1/21/2 may appear depending on the textbook, and it was not covered in the lecture.) In two dimensions the right side becomes det⁡(α,β)⋅det⁡(a,b)\det(\alpha, \beta) \cdot \det(a, b), the product of the cell density and the area.

The honeycomb and the sheaf are two pictures that read the same mapping differently. In three dimensions a volume form turns a 2-form into a vector, and what we get is a vector density of weight 1. The sheaf is precisely this vector density. In the same way the thumbtack corresponds to a dual vector of weight −1-1, that is, a covector capacity, and the two are isomorphic. Isomorphic means that adding two elements and then transferring them gives the same result as transferring each and then adding. MTW stays on the honeycomb side and Weinreich on the sheaf side because the two pictures are isomorphic, and for those used to field lines in physics the sheaf is the familiar one. (This explanation in terms of vector densities and covector capacities turns into components what the lecture only names, and the concrete component formula Bij=εijkSkB_{ij} = \varepsilon_{ijk} S^k was not covered in the lecture. Here BB is the 2-form and SS is the vector density.)

Q. Are the honeycomb and the sheaf the same object?
A. They are elements of two different but isomorphic spaces. The honeycomb is a 2-form and the sheaf is a vector density. The real number we get by putting them against a thumbtack is the same, so choosing a picture is a matter of taste.

In the toy below, make a thumbtack with the blue and green points. Compare the count of cells that the honeycomb underneath passes through it with ρ⋅A\rho \cdot A, and check that the product stays the same when you change the basis size.

Summary

What we confirmed in this post is the following.

  • If we take the cross product of two arrows as an arrow, we need an inner product and the transformation does not fit either. So Weinreich makes a new object, the thumbtack. A thumbtack is a piece of area with a direction, and in our language an element of V∧V\V \wedge \V.
  • A thumbtack has addition and scalar multiplication, and once an orientation is fixed we put an arrowhead on it by the right-hand rule. The orientation is an arbitrary choice fixed by the sign of the top-degree form.
  • The combination of two stacks is a 2-form, drawn as a honeycomb by MTW and as a sheaf by Weinreich.
  • The mapping between a thumbtack and a honeycomb or sheaf is a dual space mapping and an invariant real number, the number of cells or lines passing through the thumbtack.

With arrows, stacks, thumbtacks, and honeycombs (sheaves), we have nearly all the objects on the vector side. The remaining combinations among these objects are taken up in the lectures that follow.

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