Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스

Tensor series, part 3: the dual space made of all maps, and the dual basisTensor 시리즈 3편: 모든 맵의 집합이 만드는 듀얼 스페이스와 듀얼 베이시스

Tensor series텐서 시리즈Part 3 of 4040편 중 3번째
  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 3강 Dual Spaces에 해당합니다.

맵은 어디로 가야 할까요?

지난 편에서 두 벡터 스페이스 사이의 맵map ⟨Λ,v⟩\map{\Lambda}{v}을 다뤘습니다. 기저 벡터마다 맵의 결과를 정해 주면, 선형성 덕분에 모든 벡터에 대한 결과가 정해졌죠.

그런데 맵에는 도착할 곳이 필요합니다. 벡터 스페이스 V\V 하나만 만들었는데 맵을 쓰려면 두 번째 벡터 스페이스를 또 만들어야 하는 걸까요? 우리는 우주를 최대한 작게 유지하고 싶습니다. 새로 만드는 것 없이 갈 수 있는 곳은 두 군데입니다.

  1. V\V 자기 자신
  2. 실수 R\R

두 번째가 우리가 관심 있는 쪽입니다. 벡터 스페이스를 만들면 그 정의에 따라 스칼라 필드 R\R이 이미 같이 딸려 오기 때문에, 새로 정의할 것이 하나도 없습니다. 게다가 R\R은 1차원 벡터 스페이스로 볼 수 있습니다. 기저 벡터는 하나뿐이고, 덧셈과 곱셈은 실수의 덧셈과 곱셈 그대로이고, 스칼라도 R\R에서 가져옵니다. 이렇게 R\R로 1차원 벡터 스페이스를 구현한 것을 realization이라고 부릅니다.

모든 맵의 집합

V\V에서 R\R로 가는 맵을 하나 만들려면 또 선택이 필요합니다. 기저 벡터마다 어떤 실수로 보낼지를 정해야 하니까요. 이 선택조차 하기 싫다면 방법이 하나 있습니다. 가능한 모든 맵의 집합을 생각하는 겁니다. 맵 하나를 만들 때 고를 수 있는 후보 전체이므로, 이 집합은 새로 발명한 것이 없고, V\V를 만든 순간 논리적으로 이미 존재하는 것입니다.

V\V에서 R\R로 가는 모든 맵의 집합을 V\V의 듀얼 스페이스dual space라고 하고 V∗\V^*라고 씁니다.

듀얼 스페이스도 벡터 스페이스입니다

왜 스페이스라는 이름이 붙었는지는, 이 집합이 벡터 스페이스의 조건을 만족하는지 확인하면 됩니다. 덧셈, 스칼라 곱셈, 그리고 반대되는 원소가 필요합니다. 맵 Λ,Z∈V∗\Lambda, Z \in \V^*와 벡터 v∈Vv \in \V, 스칼라 a∈Ra \in \R에 대해서 이렇게 정의합니다.

  • Addition
    ⟨Λ+Z,v⟩=⟨Λ,v⟩+⟨Z,v⟩\map{\Lambda + Z}{v} = \map{\Lambda}{v} + \map{Z}{v}
  • Scalar Multiplication
    ⟨aΛ,v⟩=a⟨Λ,v⟩\map{a\Lambda}{v} = a\map{\Lambda}{v}
  • Opposite
    (−1)Λ(-1)\Lambda가 반대 맵이고, 둘을 더하면 모든 벡터를 00으로 보내는 영맵zero map이 됩니다.

우변의 ++와 곱셈은 모두 R\R의 것입니다. ⟨Λ,v⟩\map{\Lambda}{v}가 실수이기 때문이죠. 이렇게 V∗\V^*는 V\V와 같은 스칼라 필드를 가진 벡터 스페이스이고, 차원도 같습니다.

Q. 그럼 V∗\V^*의 원소, 즉 듀얼 벡터는 어떤 벡터인가요?
A. 벡터를 받아서 실수 하나를 내주는 맵입니다. 벡터 스페이스에 들어 있는 벡터이면서 동시에 맵이라는 점이 중요합니다.

듀얼 베이시스

V\V의 기저 벡터를 아래 첨자 eμe_\mu로 썼으니, 듀얼 스페이스의 기저 벡터는 위 첨자 eμe^\mu로 씁니다. 듀얼 베이시스dual basis를 고르는 것도 마음대로인데, 저는 기저 벡터 eμe^\mu가 맵이라는 점을 이용해서 이런 규칙을 원합니다.

⟨eμ,eν⟩=δμν\map{e^{\mu}}{e_{\nu}} = \dl

즉 e0e^0은 e0e_0를 만났을 때만 11을 내고, 다른 기저 벡터 e1,e2,e3e_1, e_2, e_3를 만나면 00을 냅니다. e1,e2,e3e^1, e^2, e^3도 각자 자기 짝에서만 11입니다.

여기서 꼭 알아 둘 것이 있습니다. 이 규칙은 계산이 편해서 제가 고른 것일 뿐이고, 어느 기저가 더 정당하다는 이야기가 아닙니다. 그리고 V\V와 V∗\V^* 사이에는 어떤 벡터가 어떤 듀얼 벡터에 대응하는지를 자연스럽게 정해 주는 맵이 없습니다. 듀얼 스페이스는 V\V를 만들면 공짜로 따라오지만, 둘을 잇는 방법은 우리가 따로 정하지 않는 한 존재하지 않습니다.

직접 만져 봅시다. 아래 평면에서 e1,e2e_1, e_2를 끌어 보세요. 듀얼 기저 e1,e2e^1, e^2는 규칙 ⟨eμ,eν⟩=δμν\map{e^{\mu}}{e_{\nu}} = \dl을 지키며 따라서 움직이고, 아래 칸의 값이 항상 11과 00으로 맞춰지는 것을 볼 수 있습니다. 줄무늬를 가로지르는 개수가 eμ(v)e^\mu(v)입니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 3 of the playlist, Dual Spaces.

Where should a map go?

In the previous post we dealt with a map ⟨Λ,v⟩\map{\Lambda}{v} between two vector spaces. Once we decide the result of the map for each basis vector, linearity fixes the result for every vector.

But a map needs a destination. We made just one vector space V\V, so do we have to make a second vector space whenever we want to use a map? We want to keep our universe as small as possible. Without creating anything new, there are two places a map can go.

  1. V\V itself
  2. The real numbers R\R

The second is the one we care about. When we create a vector space, its definition already brings the scalar field R\R along, so there is nothing new to define. Moreover, R\R can be seen as a 1-dimensional vector space. It has just one basis vector, its addition and multiplication are those of the real numbers, and it draws its scalars from R\R itself. Implementing a 1-dimensional vector space with R\R in this way is called a realization.

The set of all maps

Making one map from V\V to R\R needs another choice, because we must decide which real number each basis vector goes to. If we do not even want to make this choice, there is one way out: think of the set of all possible maps. This set is the whole pool of candidates we would pick from when making a single map, so it is not something newly invented. It already exists, logically, the moment we create V\V.

The set of all maps from V\V to R\R is called the dual space of V\V and written V∗\V^*.

The dual space is a vector space too

To see why it deserves the name space, we check whether this set satisfies the conditions of a vector space. We need addition, scalar multiplication, and opposite elements. For maps Λ,Z∈V∗\Lambda, Z \in \V^*, a vector v∈Vv \in \V, and a scalar a∈Ra \in \R, define them as follows.

  • Addition
    ⟨Λ+Z,v⟩=⟨Λ,v⟩+⟨Z,v⟩\map{\Lambda + Z}{v} = \map{\Lambda}{v} + \map{Z}{v}
  • Scalar Multiplication
    ⟨aΛ,v⟩=a⟨Λ,v⟩\map{a\Lambda}{v} = a\map{\Lambda}{v}
  • Opposite
    (−1)Λ(-1)\Lambda is the opposite map, and adding the two gives the zero map, which sends every vector to 00.

The ++ and the multiplication on the right-hand sides all belong to R\R, because ⟨Λ,v⟩\map{\Lambda}{v} is a real number. So V∗\V^* is a vector space with the same scalar field as V\V, and it has the same dimension too.

Q. Then what kind of vector is an element of V∗\V^*, a dual vector?
A. It is a map that takes a vector and gives back one real number. What matters is that it is a vector inside a vector space and a map at the same time.

The dual basis

We wrote the basis vectors of V\V with a lower index eμe_\mu, so we write the basis vectors of the dual space with an upper index eμe^\mu. Choosing a dual basis is also up to us. Using the fact that the basis vector eμe^\mu is a map, I want this rule.

⟨eμ,eν⟩=δμν\map{e^{\mu}}{e_{\nu}} = \dl

That is, e0e^0 gives 11 only when it meets e0e_0, and gives 00 when it meets the other basis vectors e1,e2,e3e_1, e_2, e_3. e1,e2,e3e^1, e^2, e^3 likewise give 11 only on their own partner.

There is something you must keep in mind here. This rule is only what I chose because it makes calculation convenient, and it does not say that one basis is more legitimate than another. Also, between V\V and V∗\V^* there is no map that naturally decides which vector corresponds to which dual vector. The dual space comes for free once we create V\V. A way to connect the two does not exist unless we decide one separately.

Let us handle it by hand. In the plane below, drag e1,e2e_1, e_2. The dual basis e1,e2e^1, e^2 follows while keeping the rule ⟨eμ,eν⟩=δμν\map{e^{\mu}}{e_{\nu}} = \dl, and you can see that the values in the box below always come out as 11 and 00. The number of stripes a vector crosses is eμ(v)e^\mu(v).

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