Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
Tensor series, part 39: the last lecture. Reading the bases of arrow, stack, thumbtack, sheaf, honeycomb, scalar density, and scalar capacity off a small cube cut out by coordinate planes, and recalling the bases hidden in component notationTensor 시리즈 39편: 마지막 강의. 좌표 평면이 오려 낸 작은 육면체에서 화살표, 스택, 압정, 다발, 벌집, 스칼라 밀도, 스칼라 용량의 기저를 읽고, 성분 표기에 숨은 기저를 되짚기
Tensor series텐서 시리즈Part 39 of 4040편 중 39번째
- 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
- 마지막 강의입니다
- 지금까지 쌓은 것과 비어 있는 곳
- 좌표 평면이 오려 내는 작은 육면체
- 기저는 점에 붙은 공간에 삽니다
- 화살표와 스택의 기저
- 압정, 다발, 벌집의 기저
- 스칼라 밀도와 스칼라 용량
- 성분 표기 뒤에 숨은 기저
- 정리와 맺음
- This is the last lecture
- What we have built and where the gap is
- The small cube cut out by coordinate planes
- The bases live in a space attached to the point
- The bases of arrow and stack
- The bases of thumbtack, sheaf, and honeycomb
- Scalar density and scalar capacity
- The bases hidden behind component notation
- Summary and closing
XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 40강, 마지막 강의 The End에 해당합니다. 지난 편에서 두 물건으로 만드는 연산을 모두 정리했고, 이번에는 그 물건들 각각의 기저를 그림으로 읽습니다. 3차원만 다룹니다.
마지막 강의입니다
강의는 이 편이 끝이라고 알리며 시작합니다. 40강이고 한 강의가 한 시간쯤이라 모두 합치면 40시간 가까이 됩니다. 후반의 미분 형식 부분이 많은 시간을 차지했습니다. 그 부분을 빼고도 텐서의 수학적 성격을 다룬 기초 과정으로는 충분하다는 것이 강의의 평가이고, 진짜로 하고 싶은 주제인 일반 상대성이론을 시작하기에도 모자람이 없다고 합니다.
지금까지 쌓은 것과 비어 있는 곳
강의는 먼저 지금까지 얻은 것을 돌아봅니다. 연결은 서로 다른 점의 벡터를 비교하게 해 주고, 그 위에서 세 가지 미분을 배웠습니다. 리 미분, 공변 미분, 외미분입니다. 이 미분들은 텐서에 작용해서 다시 텐서를 만듭니다.
약한 곳도 짚습니다. 시공간 위에 이 모든 것을 올려 놓았지만 매니폴드라는 개념은 이 강의에서 다루지 않았습니다. 좌표계를 깔고 점을 찍고 점마다 벡터 스페이스를 붙이고 연결로 묶는 이야기는 초급 일반 상대성이론까지는 통하지만, 이 주제를 진지하게 공부하려면 매니폴드를 알아야 하고 그러려면 위상수학도 알아야 합니다. 강의는 이를 별도의 매니폴드 강의 묶음에서 다룬다고 안내합니다. 다음 일반 상대성이론 강의에서는 선수 지식으로 이 강의의 앞부분, 곧 두 미분(리 미분과 공변 미분)까지와 매니폴드 강의의 앞부분을 묶어 요구할 계획이라고 합니다. 40시간 전부가 필요하지는 않다는 말입니다.
좌표 평면이 오려 내는 작은 육면체
마지막 주제는 좌표 기저의 시각화입니다. 3차원 매니폴드에 좌표가 있으면 좌표 평면, 곧 좌표 하나의 값을 고정한 면을 생각할 수 있습니다. 이 두 값을 갖는 평면 둘, 가 두 값을 갖는 평면 둘, 도 마찬가지로 평면 둘을 놓으면 육면체 하나가 만들어집니다. 직교 좌표에서는 정확히 육면체이고, 구면 좌표나 원통 좌표에서도 간격을 충분히 작게 줄이면 굽은 변과 면이 곧아져서 극한에서 육면체가 됩니다. 어떤 좌표계든 쓸 만하다면 공간은 이런 작은 육면체로 채워집니다.
기저는 점에 붙은 공간에 삽니다
여기서 조심할 점이 하나 있습니다. 육면체는 매니폴드 위에 있지만, 기저로 삼는 화살표나 스택은 매니폴드에 있지 않고 그 점에 붙은 별도의 벡터 스페이스에 삽니다. 매니폴드에서 떨어져 점마다 매달려 있는 공간입니다. 그래서 육면체를 쓰려면 극한을 생각해야 합니다. 화살표를 길게 그려서 좌표계가 굽는 곳까지 닿는 경우는 신경 쓰지 않습니다. 육면체는 방향과 크기를 정하는 도구일 뿐입니다.
Q. 기저를 읽는 데 왜 굳이 극한이 필요한가요?
A. 기저가 사는 곳은 점에 붙은 벡터 스페이스이고, 육면체는 매니폴드의 한 조각이기 때문입니다. 조각이 작아질수록 매니폴드의 굽음이 사라져서 두 공간의 그림이 겹쳐 읽힙니다. 이 극한이 곧 편미분이 나오는 이유이기도 하다고 강의는 짚습니다.
화살표와 스택의 기저
점 에서 육면체의 세 모서리가 세 방향을 정하고, 길이로 크기를 잡으면 기저 화살표 셋이 됩니다. 극한을 취하면 이 화살표가 편미분 가 됩니다.
스택의 기저도 같은 육면체에서 나옵니다. 마주 보는 두 면이 평행한 두 판이고, 판 사이의 간격이 판의 밀도를 정합니다. 앞뒤 면, 위아래 면, 양옆 면이 각각 기저 스택 하나이므로 모두 셋입니다. 스택에는 방향이 있어서 어느 쪽으로 세는지 정해 줘야 합니다.
압정, 다발, 벌집의 기저
다발의 기저는 육면체의 꼭짓점마다 지나가는 화살표 묶음입니다. 화살표의 방향과 밀도만 의미가 있고 길이는 의미가 없으므로 평행선 묶음으로 읽습니다. 앞에서 화살표는 방향과 크기가 의미였는데 다발은 방향과 밀도가 의미인 것입니다.
압정의 기저는 쉽습니다. 육면체의 면 하나인데, 점 에 닿는 면이어야 합니다. 스택은 무한한 판의 밀도가 의미였지만 압정은 반대로 유한한 넓이 하나가 의미이고, 방향도 줍니다. 닿는 면이 세 개이므로 기저 압정도 셋입니다.
벌집의 기저는 다발의 선들 사이에 끼인 칸입니다. 다발이 스스로 작은 벌집을 이룬다고 강의는 설명합니다. 다발은 벌집과 같은 공간에 있으니 둘은 같은 이야기입니다.
스칼라 밀도와 스칼라 용량
숫자가 3차원을 쓰지 않는 쪽이 스칼라입니다. 보통의 스칼라는 기저가 없으므로 따로 신경 쓸 것이 없습니다. 스칼라 밀도의 기저는 육면체의 꼭짓점에 찍은 점들입니다. 단위 부피당 점의 수가 밀도가 되고, 강의는 Weinreich가 이를 점의 떼라고 부른다고 소개합니다. 스칼라 용량의 기저는 육면체의 부피 자체입니다. 이로써 스택, 벌집, 화살표, 압정, 다발, 스칼라 밀도, 스칼라 용량까지 모든 물건의 기저가 나왔습니다.
아래 장난감에서 변 길이를 바꾸면 각 기저의 값이 변합니다. 화살표 쪽은 길이에 비례하고 짝인 스택 쪽은 반비례하는 모습을 볼 수 있습니다.
짝끼리 값을 곱하면 늘 1입니다.
이 곱이 1이라는 점은 장난감에서 확인하려고 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 압정과 다발, 스칼라 용량과 스칼라 밀도 쌍도 같은 식으로 곱이 1이 됩니다. (다발과 스칼라 밀도의 값 , 계산도 이 설명을 위한 보충이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
Q. 보통의 스칼라에 기저가 없다는 말은 무슨 뜻인가요?
A. 강의는 보통의 스칼라가 기저를 가지지 않으니 신경 쓸 필요가 없다고만 말합니다. 값이 그대로 수이고 곱해 줄 방향이나 부피 기저가 없다는 뜻으로 읽을 수 있습니다. 밀도와 용량은 3-형식과 3-벡터 기저가 곱해져 있어서 육면체가 필요합니다. (이 설명은 읽는 방법을 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
성분 표기 뒤에 숨은 기저
강의는 이 그림을 성분 표기와 연결합니다. 일반 상대성이론 교과서는 대부분 텐서와 벡터를 나 같은 성분으로만 적고 단위 벡터는 적지 않습니다. 이제는 그 단위 벡터들이 거기 떠 있다는 것을 압니다. 첨자의 위치와 순서가 정해진 이유도 이 기저들 때문입니다. 교과서를 고를 때는 아주 고급인 책은 기초 책을 마친 뒤로 미루라고 하며, 좋은 책이 많고 상당수는 인터넷에 무료로 공개되어 있다고 합니다. 이 내용을 책에서 다시 보면 더 잘 이해된다는 말도 덧붙입니다.
Q. 성분만 쓰면 되는데 기저를 알아야 하나요?
A. 강의는 성분 표기가 계산에는 훨씬 편리하다고 인정하고, 일반 상대성이론 강의에서도 이를 많이 쓸 계획이라고 합니다. 다만 왜 그렇게 쓰는지 이해하고 쓰는 것과 모르고 쓰는 것은 다르다는 입장입니다. 이해가 아직 편하지 않다면 이 강의를 너무 빨리 지나온 것일 수 있다고도 말합니다.
정리와 맺음
이번 편에서 확인한 것은 다음과 같습니다.
- 어떤 좌표계든 충분히 작게 보면 좌표 평면이 작은 육면체를 오려 냅니다.
- 이 육면체에서 모서리는 화살표, 마주 보는 두 면은 스택, 점에 닿는 면은 압정, 꼭짓점의 선 묶음은 다발, 선 사이 칸은 벌집, 꼭짓점의 점 떼는 스칼라 밀도, 부피는 스칼라 용량의 기저가 됩니다.
- 이 기저들은 매니폴드 위에 있지 않고 점에 붙은 벡터 스페이스에 삽니다.
- 성분 표기는 이 기저들을 숨기고 있고, 첨자의 위치가 그 흔적입니다.
시리즈는 여기서 끝납니다. 강의는 텐서에 대한 초급 이야기를 다 마쳤다고 하며, 일반 상대성이론을 시작할 준비가 되었다고 맺습니다. 다음 편은 특별 강의로 접공간과 좌표 기저를 다룹니다. 매니폴드를 더 알고 싶다면 매니폴드 시리즈의 첫 편으로 이어집니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 40 of the playlist, the last lecture, The End. In the previous post we organized all the operations made from two objects, and this time we read the basis of each of those objects as a picture. We stay in three dimensions.
This is the last lecture
The lecture opens by announcing that this is the end. It is lecture 40 and each lecture is about an hour, so it adds up to nearly 40 hours. The later part on differential forms took up a lot of that time. The lecture judges that even without that part this is a sufficient basic course on the mathematical nature of tensors, and enough to start on general relativity, the subject the lecturer really wants to teach.
What we have built and where the gap is
The lecture first looks back at what we have. A connection lets us compare vectors at different points, and on top of it we learned three derivatives: the Lie derivative, the covariant derivative, and the exterior derivative. These derivatives act on tensors and produce tensors again.
It also points out the weak spot. We placed all of this on spacetime but did not treat the concept of a manifold in this course. The story of laying down a coordinate system, plotting points, attaching a vector space to each point, and binding them with a connection works up to elementary general relativity, but studying the subject seriously requires manifolds, and that requires topology too. The lecture says these are covered in a separate set of manifold lectures. For the next general relativity lectures, the lecturer plans to require as prerequisites the first part of this course, up to the two derivatives (the Lie derivative and the covariant derivative), together with the first part of the manifold lectures. All 40 hours are not needed.
The small cube cut out by coordinate planes
The last topic is visualizing the coordinate basis. When a 3-dimensional manifold has coordinates, we can think of coordinate planes, the surfaces where one coordinate value is held fixed. Place two planes for two values of , two planes for two values of , and two for , and one cube is cut out. In Cartesian coordinates it is exactly a cube, and in spherical or cylindrical coordinates too, if we shrink the spacing small enough, the curved edges and faces straighten and the shape becomes a cube in the limit. Any coordinate system worth using fills space with such small cubes.
The bases live in a space attached to the point
There is one thing to be careful about. The cube sits on the manifold, but the arrows and stacks we take as bases do not live on the manifold. They live in a separate vector space attached to the point, a space hanging off the manifold at each point. That is why we must think in terms of a limit to use the cube. We do not worry about the case where we draw an arrow so long that it reaches where the coordinate system curves. The cube is only a tool for fixing directions and sizes.
Q. Why do we need a limit at all to read a basis?
A. Because the basis lives in the vector space attached to the point, while the cube is a piece of the manifold. As the piece shrinks, the curvature of the manifold disappears and the pictures of the two spaces can be read on top of each other. The lecture also notes that this limit is why partial derivatives appear.
The bases of arrow and stack
At the point , the three edges of the cube fix three directions, and fixing the sizes by the lengths gives three basis arrows. In the limit these arrows become the partial derivatives .
The basis of the stack comes from the same cube. Two opposite faces are two parallel sheets, and the gap between the sheets sets the density of the sheets. The front and back, top and bottom, and left and right faces each give one basis stack, so there are three. A stack has a direction, so we must say which way it counts.
The bases of thumbtack, sheaf, and honeycomb
The basis of the sheaf is a bundle of arrows through each corner of the cube. Only the direction and the density of the arrows carry meaning and the length does not, so we read it as a bundle of parallel lines. Earlier the arrow’s meaning was direction and magnitude, while the sheaf’s is direction and density.
The basis of the thumbtack is easy. It is one face of the cube, and it must be a face touching the point . For the stack the density of infinite sheets mattered, but for the thumbtack, conversely, one finite area matters, and it also carries a direction. Three faces touch the point, so there are three basis thumbtacks.
The basis of the honeycomb is the cell between the lines of the sheaf. The lecture explains that the sheaf makes a small honeycomb of its own. The sheaf lives in the same space as the honeycomb, so they are the same story.
Scalar density and scalar capacity
The scalar side is where the numbers do not use three dimensions. An ordinary scalar has no basis, so there is nothing to worry about. The basis of the scalar density is the points marked at the corners of the cube. The number of points per unit volume is the density, and the lecture says Weinreich calls this a swarm of points. The basis of the scalar capacity is the volume of the cube itself. With this we have the bases of every object: stack, honeycomb, arrow, thumbtack, sheaf, scalar density, and scalar capacity.
In the toy below, changing the edge lengths changes the value of each basis. You can see the arrow side grow in proportion to the length while the paired stack side shrinks in inverse proportion.
Multiplying the values of a pair always gives 1.
That this product is 1 is added so we can check it in the toy and was not covered in the lecture. The pairs thumbtack with sheaf and scalar capacity with scalar density also give 1 in the same way. (The calculation of the values for the sheaf and for the scalar density is also a supplement for this explanation and was not covered in the lecture.)
Q. What does it mean that an ordinary scalar has no basis?
A. The lecture only says that an ordinary scalar has no basis, so there is no need to worry about it. It can be read to mean that the value is just the number and there is no direction or volume basis multiplied in. A density and a capacity have a 3-form basis and a 3-vector basis multiplied in, so they need the cube. (This explanation adds a way of reading it and was not covered in the lecture.)
The bases hidden behind component notation
The lecture links this picture to component notation. Most general relativity textbooks write tensors and vectors only by components such as or , without the unit vectors. Now we know those unit vectors are floating there. The reason the indices have their positions and order is also these bases. As for choosing textbooks, the lecture says to postpone the very advanced ones until after finishing an elementary one, and says there are many good ones, many of them free on the web. It adds that seeing this material again in the books will make it better understood.
Q. If components are enough, do we need to know the bases?
A. The lecture admits that component notation is far more convenient for computing, and plans to use it a lot in the general relativity lectures. But its position is that using it with understanding of why it is written that way differs from using it without. It also says that if we are not yet comfortable, we may have moved through this course too fast.
Summary and closing
What we checked in this post is the following.
- In any coordinate system, looked at small enough, coordinate planes cut out a small cube.
- In this cube the edges are the basis arrows, two opposite faces are the basis stack, the face touching the point is the basis thumbtack, the line bundle through the corners is the basis sheaf, the cell between the lines is the basis honeycomb, the swarm of points at the corners is the basis scalar density, and the volume is the basis scalar capacity.
- These bases live not on the manifold but in the vector space attached to the point.
- Component notation hides these bases, and the positions of the indices are their trace.
The series ends here. The lecture says it has finished the elementary story of tensors and closes by saying we are ready to start on general relativity. The next post is a special lecture on the tangent space and the coordinate basis. If you want to know more about manifolds, the first post of the manifold series continues from here.
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