Tensor #40. Special Lecture: Tangent Spaces and Coordinate Basis텐서 #40. 특별 강의: 탄젠트 스페이스와 좌표 기저

Tensor series, part 40: building directional derivatives from curves and functions alone on a manifold, and why they form a vector space (the tangent space) with the partial derivative operators as its basisTensor 시리즈 40편: 매니폴드에서 곡선과 함수만으로 방향 도함수를 만들고, 그 모음이 벡터 스페이스(탄젠트 스페이스)이며 편미분 연산자가 그 기저인 까닭

Tensor series텐서 시리즈Part 40 of 4040편 중 40번째
  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 40강 Special Lecture: Tangent Spaces and Coordinate Basis에 해당합니다. 지난 편으로 텐서 강의의 본 줄기가 끝났고, 이 편은 따로 붙은 특별 강의입니다. 강의는 학생들이 가장 많이 막히는 곳이 편미분 연산자 ∂i\partial_i를 벡터 스페이스의 기저로 쓰는 일이라고 보고, 앞서 매니폴드 강의에서 한 설명을 더 천천히 다시 합니다. 이 글은 그 흐름을 절 아홉 개로 줄였습니다.

좌표가 있는 매니폴드

출발점은 nn차원 매니폴드manifold MM입니다. 일반 상대성이론에서는 시공간을 n=4n = 4인 매니폴드로 모델링합니다. 매니폴드라고 하면 곧바로 다음 그림이 떠올라야 합니다. 점 pp 둘레에 열린 영역 UU가 있고, 이 영역을 Rn\R^n으로 보내는 일대일 대응이 있습니다.

x:U→Rnx : U \to \R^n

이 UU와 xx를 합쳐 차트chart라고 부릅니다. xx는 연속이고 역함수도 연속인 위상동형사상homeomorphism입니다. 점 pp의 좌표는 x(p)=(x0(p),…,xn−1(p))x(p) = (x^0(p), \dots, x^{n-1}(p))이고, 성분마다 하나씩 nn개의 좌표 함수가 있습니다. 한 차트로 매니폴드 전체를 덮지 못하는 일이 많습니다. 구 하나만 해도 차트가 둘 필요합니다. 이 글은 한 차트 안에서만 이야기합니다. 겹치는 두 차트 x,yx, y 사이의 바꿈 x∘y−1x \circ y^{-1}은 미분 가능하다고 둡니다.

매니폴드를 정의하는 것이 곧 좌표를 갖는다는 뜻이므로, 이 글에서 앞으로 나올 모든 구성은 좌표를 써도 됩니다. 하지만 처음에는 좌표에 기대지 않고 만들 수 있는 것부터 쌓습니다.

탄젠트 스페이스는 매니폴드에 딸려 옵니다

앞선 강의에서는 “각 점에 벡터 스페이스를 세운다”고 말했습니다. 강의는 이 표현이 오해를 부른다고 바로잡습니다. 매니폴드를 시공간의 모델로 고르는 것은 물리학자가 내리는 결정입니다. 그러나 매니폴드를 고르고 나면 그 위의 모든 매끄러운 함수의 모음, 모든 곡선의 모음은 우리가 만들지 않아도 이미 있습니다. 모음 안에서 함수나 곡선 하나를 꺼내는 일만 우리의 선택입니다. 모음 자체는 어떤 결정에도 기대지 않으므로 매니폴드가 있으면 따라서 존재합니다.

이 글은 이 존재 순서를 따라갑니다. 함수의 모음과 곡선의 모음이 있고, 둘을 맞붙이면 방향 도함수가 나오고, 방향 도함수의 모음에 덧셈과 실수배를 줄 수 있어서 벡터 스페이스가 되고, 좌표를 고르면 그 기저가 나옵니다. 이 중 무엇도 새로 만들어 붙인 것이 없다는 점이 요점입니다.

함수와 곡선

매니폴드 위의 함수는 f:M→Rf : M \to \R입니다. 모든 매끄러운 함수의 모음을 C∞(M)\Cf로 씁니다. 함수의 값이 같은 점을 모으면 레벨 셋level set이 되고, 지형의 등고선 같은 것입니다. 단 하나의 점이 최댓값의 레벨 셋일 수도 있습니다.

ff가 미분 가능하다는 말에는 주의가 필요합니다. MM은 그냥 점들의 집합이라 점에 대해 미분할 수 없습니다. 그래서 차트로 좌표 쪽에 옮긴 함수가 미분 가능하다는 뜻으로 읽습니다.

F=f∘x−1:Rn→RF = f \circ x^{-1} : \R^n \to \R

FF는 좌표 nn개의 함수이므로 편미분을 쓸 수 있습니다. 앞으로 ff를 좌표의 함수처럼 쓰는 일이 잦은데, 정확히는 이 FF를 말하는 것입니다.

Q. ff는 매니폴드 위의 함수인데, 그 위에서는 미분을 어떻게 정의하나요?
A. 매니폴드의 점에는 덧셈도 거리도 없어서 직접은 정의할 수 없습니다. 차트로 점을 좌표로 바꾼 F=f∘x−1F = f \circ x^{-1}를 보통의 다변수 미적분으로 미분합니다. 그 결과가 ff의 미분입니다.

곡선은 실수 구간에서 매니폴드로 가는 사상 α:R→M\alpha : \R \to M입니다. 매개변수를 τ\tau로 씁니다. 좌표로 보면 x∘α:R→Rnx \circ \alpha : \R \to \R^n이고, 성분 xi∘αx^i \circ \alpha 하나하나는 실수에서 실수로 가는 함수이므로 보통의 도함수를 잡을 수 있습니다. 같은 점들을 같은 순서로 지나더라도 매개변수가 다르면 다른 곡선으로 칩니다. 예를 들어 τ\tau를 2τ2\tau로 바꾸면 같은 길을 두 배 빠르게 지나는 다른 곡선입니다. 매니폴드 위의 모든 곡선의 모음을 A(M)A(M)이라 하고, 그중 pp를 지나면서 α(0)=p\alpha(0) = p가 되게 매개변수를 맞춘 곡선들의 모음을 Ap(M)A_p(M)이라 합니다. 이렇게 맞춰도 일반성은 잃지 않습니다.

방향 도함수

함수 ff와 곡선 α∈Ap(M)\alpha \in A_p(M)를 하나씩 고르면 f∘α:R→Rf \circ \alpha : \R \to \R가 생기고, 이것은 평범한 일변수 함수입니다. 그 도함수를 pp를 지나는 때, 곧 τ=0\tau = 0에서 잡은 값을 Vα,pV_{\alpha,p}로 씁니다.

Vα,p(f)=d(f∘α)dτ∣τ=0V_{\alpha,p}(f) = \frac{d (f \circ \alpha)}{d\tau} \tz

이 수를 정하려면 ff와 α\alpha가 모두 필요합니다. 일차원이면 함수만 알면 되지만, 차원이 하나보다 많으면 같은 점에서도 어느 쪽으로 가느냐에 따라 변화율이 다르기 때문입니다. 곡선을 하나 정해 두면 Vα,pV_{\alpha,p}는 함수를 받아 실수를 내놓는 사상 C∞(M)→R\Cf \to \R이고, 이것을 방향 도함수directional derivative라고 부릅니다. 함수 ff는 정의 안에 들어 있지 않고 자리만 비어 있는 연산자입니다. 강의는 못이 없어도 망치를 연장통에 넣어 둘 수 있듯이, 함수를 먹이지 않아도 이 연산자 자체가 하나의 대상이라고 말합니다.

pp를 지나는 곡선의 모음 Ap(M)A_p(M)에서 곡선을 하나 고를 때마다 방향 도함수가 하나씩 나옵니다. 이렇게 모은 방향 도함수의 집합이 우리가 벡터 스페이스로 만들 대상입니다. 점마다 이 집합이 따로 있습니다. 서로 다른 곡선이 같은 연산자를 줄 수도 있습니다. 예를 들어 같은 속도로 pp를 지나면서 굽은 정도만 다른 두 곡선은 같은 값을 줍니다. 강의는 곡선과 방향 도함수가 일대일이라고 말하지만, 이 글의 뒤 논의는 같은 연산자를 주는 곡선끼리 구별하지 않아도 그대로 성립합니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

스칼라 곱

실수 aa와 방향 도함수 Vα,pV_{\alpha,p}의 곱이 다시 방향 도함수가 되도록 곡선을 찾아야 합니다. 매개변수를 λ=aτ\lambda = a\tau로 바꾼 곡선 αa(τ)=α(aτ)\alpha_a(\tau) = \alpha(a\tau)를 생각합니다. 이 곡선도 τ=0\tau = 0에서 pp를 지납니다. 연쇄 법칙chain rule을 쓰면 dλ/dτ=ad\lambda/d\tau = a가 앞으로 나옵니다.

Vαa,p(f)=d(f∘αa)dτ∣τ=0=a d(f∘α)dλ∣λ=0=a Vα,p(f)V_{\alpha_a,p}(f) = \frac{d (f \circ \alpha_a)}{d\tau} \tz = a \, \frac{d (f \circ \alpha)}{d\lambda} \Big|_{\lambda=0} = a \, V_{\alpha,p}(f)

따라서 aVα,p=Vαa,pa V_{\alpha,p} = V_{\alpha_a,p}이고, 실수를 곱하는 일은 같은 길을 aa배 빠르게 지나는 곡선으로 바꾸는 일입니다. aa가 음수이면 거꾸로 지납니다. 모음이 실수배에 대해 닫혀 있습니다.

덧셈

어려운 쪽입니다. 곡선 γ,β∈Ap(M)\gamma, \beta \in A_p(M)가 있을 때 Vγ,p+Vβ,pV_{\gamma,p} + V_{\beta,p}가 어떤 곡선 ψ∈Ap(M)\psi \in A_p(M)의 방향 도함수가 되도록 ψ\psi를 찾아야 합니다. 곡선은 더할 수 없으므로, 방향 도함수의 합이 되는 곡선을 만들어 내는 일입니다. 여기서 차트가 처음으로 필요합니다. 좌표는 Rn\R^n의 순서쌍이라 더할 수 있습니다.

처음 떠오르는 시도는 x∘ψ=x∘γ+x∘βx \circ \psi = x \circ \gamma + x \circ \beta입니다. 그러나 τ=0\tau = 0에서 값이 x(p)+x(p)=2x(p)x(p) + x(p) = 2x(p)라서 pp를 지나지 못해 Ap(M)A_p(M) 밖으로 나갑니다. 이 군더더기를 지우면 됩니다.

x∘ψ=x∘γ+x∘β−x(p)x \circ \psi = x \circ \gamma + x \circ \beta - \xp

이제 τ=0\tau = 0에서 x(p)x(p)이므로 ψ\psi는 pp를 지납니다. 방향 도함수가 정말 더해지는지 보입니다. f∘ψ=F∘(x∘ψ)f \circ \psi = F \circ (x \circ \psi)이므로 연쇄 법칙으로 FF의 미분과 곡선 좌표의 미분이 곱해지고, x(p)\xp는 상수라 미분하면 사라집니다. 세 곡선이 모두 τ=0\tau = 0에서 pp를 지나므로 같은 때에 평가됩니다.

Vψ,p(f)=F′(x(p))⋅(x∘ψ)′(0)=F′(x(p))⋅(x∘γ)′(0)+F′(x(p))⋅(x∘β)′(0)V_{\psi,p}(f) = F'(\xp) \cdot (x \circ \psi)'(0) = F'(\xp) \cdot (x \circ \gamma)'(0) + F'(\xp) \cdot (x \circ \beta)'(0)

오른쪽의 두 항은 연쇄 법칙을 거꾸로 돌리면 각각 Vγ,p(f)V_{\gamma,p}(f)와 Vβ,p(f)V_{\beta,p}(f)입니다. 그러므로 모든 ff에 대해 이렇게 됩니다.

Vψ,p(f)=Vγ,p(f)+Vβ,p(f)V_{\psi,p}(f) = V_{\gamma,p}(f) + V_{\beta,p}(f)

왼쪽과 오른쪽 모두 실수의 덧셈이므로, 실수의 덧셈이 연산자의 덧셈 역할을 맡았습니다. 상수 곡선 α(τ)=p\alpha(\tau) = p의 방향 도함수는 어떤 ff에도 0을 주니 영벡터이고, 곡선을 거꾸로 지나는 α(−τ)\alpha(-\tau)는 부호가 반대인 역원입니다. 이렇게 덧셈과 실수배가 닫혀 있고 영과 역원이 있으므로 방향 도함수의 모음은 R\R 위의 벡터 스페이스입니다. 이것이 점 pp에서의 탄젠트 스페이스tangent space TpMT_pM입니다. 방향 도함수는 곡선에 접하는 방향의 변화율이라 접공간이라는 이름이 붙습니다.

좌표 기저

이제 이 벡터 스페이스의 기저를 찾습니다. 차트를 하나 골라 Vα,p(f)V_{\alpha,p}(f)에서 ff를 F∘xF \circ x로 풀어 쓰고, 곡선의 좌표 x0∘α,…,xn−1∘αx^0 \circ \alpha, \dots, x^{n-1} \circ \alpha를 넣어 다변수 연쇄 법칙을 적용합니다. FF는 nn개 변수의 함수이고 변수는 모두 τ\tau의 함수이므로, 각 변수 쪽으로의 편미분에 그 변수의 τ\tau 도함수를 곱해 더합니다.

Vα,p(f)=∑i=0n−1∂F∂xi∣x(p)⋅d(xi∘α)dτ∣τ=0V_{\alpha,p}(f) = \sum_{i=0}^{n-1} \frac{\partial F}{\partial x^i} \Big|_{\xp} \cdot \frac{d (x^i \circ \alpha)}{d\tau} \tz

합 안의 두 인자는 역할이 갈립니다. 뒤의 인자는 곡선만으로 정해지는 실수이고, 앞의 인자는 함수 ff와 점 pp만으로 정해지며 곡선이 들어 있지 않습니다. 뒤의 수를 viv^i로 두고, 앞의 인자는 함수를 받아 실수를 내놓는 연산자 ∂i\partial_i로 정의합니다.

∂i∣x(p)(f)=∂(f∘x−1)∂xi∣x(p),vi=d(xi∘α)dτ∣τ=0\partial_i \big|_{\xp} (f) = \frac{\partial (f \circ x^{-1})}{\partial x^i} \Big|_{\xp}, \qquad v^i = \frac{d (x^i \circ \alpha)}{d\tau} \tz

그러면 방향 도함수는 이렇게 쓰입니다.

Vα,p=∑i=0n−1vi ∂i∣x(p)V_{\alpha,p} = \sum_{i=0}^{n-1} v^i \, \partial_i \big|_{\xp}

nn개의 연산자 ∂i\partial_i가 기저이고 viv^i가 성분입니다. 이 기저를 좌표 기저coordinate basis라고 부릅니다. 연산자인 ∂i\partial_i가 벡터로 불리는 까닭이 여기 있습니다. 방향 도함수들이 벡터 스페이스를 이루고, 그 스페이스의 기저 자리에 ∂i\partial_i가 앉아 있기 때문입니다. 화살표를 그리지 않아도 됩니다. 이후에는 곡선 이야기를 잊고 아인슈타인 합 규약으로 v=vi∂iv = v^i \partial_i만 쓰면 됩니다.

∂i\partial_i가 기저임을 확인하려면 선형독립인지 봐야 합니다. 차트 안에서 좌표 함수 xjx^j에 이 연산자를 적용하면 ∂i(xj)=δij\partial_i (x^j) = \delta^j_i입니다. 어떤 합 ∑ci∂i\sum c^i \partial_i가 영연산자라면 xjx^j에 적용해 cj=0c^j = 0을 얻으므로 선형독립입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서는 선형독립이라고 말만 합니다.) 또한 임의의 실수 v0,…,vn−1v^0, \dots, v^{n-1}에 대해 좌표가 x(p)+τ(v0,…,vn−1)x(p) + \tau (v^0, \dots, v^{n-1})인 직선 곡선이 방향 도함수 vi∂iv^i \partial_i를 주므로 모든 성분 조합이 실제로 나옵니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. 기저를 고르는 데 차트가 필요하다면, 차트를 바꾸면 무엇이 달라지나요?
A. 미분하는 변수가 바뀌므로 ∂i\partial_i가 달라지고, 그래서 각 점의 탄젠트 스페이스에서 기저가 달라집니다. 벡터 Vα,pV_{\alpha,p} 자체는 곡선과 점으로 정해지니 그대로이고 성분이 앞 편들에서 본 규칙대로 변합니다. 방향 도함수의 정의에는 차트가 없고 기저를 고를 때 비로소 차트가 들어옵니다.

아래 장난감은 이 절차를 손으로 만져 보게 합니다. 한 점 pp를 지나는 두 곡선의 속도를 끌면 방향 도함수 두 개, 합 곡선의 방향 도함수, 그리고 성분으로 쓴 ∑vi∂if\sum v^i \partial_i f가 함께 나옵니다.

점마다 다른 기저와 쌍대 기저

∂i\partial_i 뒤에 붙은 “x(p)x(p)에서 평가한다”는 꼬리표를 보통은 생략하지만, 사실 이 꼬리표가 중요합니다. 점 pp의 기저와 점 qq의 기저는 같은 편미분 ∂/∂xi\partial/\partial x^i이지만 평가하는 좌표 x(p)x(p)와 x(q)x(q)가 다릅니다. 함수에 적용하면 서로 다른 수를 냅니다. 그래서 두 점의 탄젠트 스페이스는 별개의 벡터 스페이스입니다.

Q. 기저 벡터의 이름이 두 점에서 모두 ∂0\partial_0인데, 같은 벡터인가요?
A. 같은 이름이지만 다른 벡터입니다. 편미분 모양은 같고 평가하는 점이 다릅니다. 함수 ff에 적용한 값이 ∂0f\partial_0 f를 x(p)x(p)에서 읽느냐 x(q)x(q)에서 읽느냐에 따라 달라집니다.

쌍대 기저dual basis는 쉽습니다. 코탄젠트 스페이스cotangent space는 탄젠트 스페이스의 벡터를 실수로 보내는 선형 사상들의 스페이스이고, 좌표 기저에 맞는 쌍대 기저는 ∂j\partial_j를 받으면 i=ji = j일 때 1, 그렇지 않으면 0을 내놓는 사상입니다. 이 사상을 그냥 dxidx^i라고 이름 붙입니다.

dxi(∂j)=δjidx^i (\partial_j) = \delta^i_j

강의는 이 이름이 미분이나 좌표 함수의 외미분처럼 보이더라도 신경 쓰지 말고 기저 벡터에 1을 주는 사상의 이름으로만 읽으라고 합니다. 이 기호들도 점마다 따로 있습니다.

정리

이번 편에서 확인한 것은 다음과 같습니다.

  • 매니폴드가 있으면 매끄러운 함수의 모음 C∞(M)\Cf와 곡선의 모음 A(M)A(M)이 저절로 있고, 둘로 점 pp에서 방향 도함수 Vα,p(f)=d(f∘α)/dτ∣0V_{\alpha,p}(f) = d(f \circ \alpha)/d\tau |_{0}가 정해집니다.
  • 방향 도함수의 모음에는 곡선의 매개변수를 τ→aτ\tau \to a\tau로 바꾸는 실수배와, 좌표를 더해 x(p)x(p)를 빼는 덧셈이 있어 R\R 위의 벡터 스페이스, 곧 탄젠트 스페이스가 됩니다.
  • 차트를 고르면 다변수 연쇄 법칙으로 Vα,p=vi∂i∣x(p)V_{\alpha,p} = v^i \partial_i |_{x(p)}가 나오고, ∂i\partial_i가 좌표 기저입니다. viv^i는 곡선의 좌표 도함수입니다.
  • 기저의 꼬리표인 평가 좌표가 점마다 탄젠트 스페이스를 구별하고, 쌍대 기저 dxidx^i는 dxi(∂j)=δjidx^i(\partial_j) = \delta^i_j로 정해집니다.

이 구성은 Manifold 시리즈로 이어지는 바탕입니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 40 of the playlist, Special Lecture: Tangent Spaces and Coordinate Basis. The previous post ended the main line of the tensor lectures, and this one is a special lecture added separately. The lecturer sees the biggest sticking point for students in using the partial derivative operators ∂i\partial_i as a basis of a vector space, and redoes more slowly an explanation given earlier in the manifold lectures. This post condenses that flow into nine sections.

A manifold with coordinates

The starting point is an nn-dimensional manifold MM. In general relativity, spacetime is modeled as a manifold with n=4n = 4. The word manifold should immediately bring up the following picture. Around a point pp there is an open region UU, and a one-to-one correspondence sends this region to Rn\R^n.

x:U→Rnx : U \to \R^n

The pair of UU and xx is called a chart. The map xx is a homeomorphism, continuous with a continuous inverse. The coordinates of the point pp are x(p)=(x0(p),…,xn−1(p))x(p) = (x^0(p), \dots, x^{n-1}(p)), so there are nn coordinate functions, one for each component. A single chart often cannot cover the whole manifold. Even a sphere needs two charts. This post stays inside one chart. The change x∘y−1x \circ y^{-1} between two overlapping charts x,yx, y is taken to be differentiable.

Defining a manifold already means that it has coordinates, so every construction below may use them. We begin, however, by stacking up what can be built without relying on coordinates.

The tangent space comes with the manifold

In earlier lectures the lecturer said “we erect a vector space at each point.” The lecture corrects this phrasing because it misleads. Choosing a manifold as the model of spacetime is a decision made by the physicist. But once the manifold is chosen, the collection of all smooth functions on it and the collection of all curves on it are already there without our making them. Only taking one function or one curve out of a collection is our choice. The collections themselves depend on no decision, so they exist as soon as the manifold does.

This post follows that order of existence. There is a collection of functions and a collection of curves. Pairing them gives directional derivatives. We can give addition and scalar multiplication to the collection of directional derivatives, so it becomes a vector space. Choosing coordinates then gives its basis. The point is that nothing in this chain was newly made up and attached.

Functions and curves

A function on the manifold is f:M→Rf : M \to \R. We write the collection of all smooth functions as C∞(M)\Cf. Gathering the points where the function has the same value gives a level set, like a contour line on a map. A single point can also be the level set of a maximum value.

Care is needed in saying that ff is differentiable. MM is just a set of points, so we cannot differentiate with respect to its points. So we read it as saying that the function moved to the coordinate side by the chart is differentiable.

F=f∘x−1:Rn→RF = f \circ x^{-1} : \R^n \to \R

FF is a function of nn coordinates, so partial derivatives apply. From now on we often write ff as if it were a function of coordinates, but strictly we mean this FF.

Q. ff is a function on the manifold. How is differentiation defined on it?
A. The points of a manifold have neither addition nor distance, so we cannot define it directly. We turn points into coordinates with the chart and differentiate F=f∘x−1F = f \circ x^{-1} by ordinary multivariable calculus. That result is the derivative of ff.

A curve is a map from a real interval into the manifold, α:R→M\alpha : \R \to M. We write the parameter as τ\tau. In coordinates it is x∘α:R→Rnx \circ \alpha : \R \to \R^n, and each component xi∘αx^i \circ \alpha is a function from the reals to the reals, so we can take an ordinary derivative. Even if two curves pass through the same points in the same order, they count as different curves when the parameters differ. For example, changing τ\tau to 2τ2\tau gives a different curve that passes along the same road twice as fast. We call the collection of all curves on the manifold A(M)A(M), and the collection of those that pass through pp with the parameter set so that α(0)=p\alpha(0) = p we call Ap(M)A_p(M). This normalization loses no generality.

The directional derivative

Choosing one function ff and one curve α∈Ap(M)\alpha \in A_p(M) gives f∘α:R→Rf \circ \alpha : \R \to \R, an ordinary function of one variable. We write its derivative, taken at the moment of passing through pp, that is at τ=0\tau = 0, as Vα,pV_{\alpha,p}.

Vα,p(f)=d(f∘α)dτ∣τ=0V_{\alpha,p}(f) = \frac{d (f \circ \alpha)}{d\tau} \tz

Fixing this number needs both ff and α\alpha. In one dimension the function alone is enough, but with more than one dimension the rate of change at the same point depends on which way we go. Once a curve is fixed, Vα,pV_{\alpha,p} is a map C∞(M)→R\Cf \to \R that takes a function and returns a real number, and we call it the directional derivative. The function ff is not part of the definition, and its place is left empty in the operator. The lecturer says that just as a hammer can sit in a toolbox without a nail, this operator is an object in its own right even when no function is fed to it.

Each time we pick a curve from the collection Ap(M)A_p(M) of curves through pp, one directional derivative comes out. The set of directional derivatives gathered this way is the object we will turn into a vector space. Each point has its own such set. Different curves can also give the same operator. For example, two curves passing through pp at the same velocity and differing only in how much they bend give the same values. The lecture says curves and directional derivatives correspond one to one, but the later argument in this post holds as it is without distinguishing curves that give the same operator. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Scalar multiplication

For a real number aa and a directional derivative Vα,pV_{\alpha,p}, we must find a curve so that the product is again a directional derivative. Consider the curve αa(τ)=α(aτ)\alpha_a(\tau) = \alpha(a\tau) with the parameter changed to λ=aτ\lambda = a\tau. This curve also passes through pp at τ=0\tau = 0. By the chain rule the factor dλ/dτ=ad\lambda/d\tau = a comes out front.

Vαa,p(f)=d(f∘αa)dτ∣τ=0=a d(f∘α)dλ∣λ=0=a Vα,p(f)V_{\alpha_a,p}(f) = \frac{d (f \circ \alpha_a)}{d\tau} \tz = a \, \frac{d (f \circ \alpha)}{d\lambda} \Big|_{\lambda=0} = a \, V_{\alpha,p}(f)

So aVα,p=Vαa,pa V_{\alpha,p} = V_{\alpha_a,p}, and multiplying by a real number means switching to the curve that passes the same road aa times as fast. If aa is negative, it passes backwards. The collection is closed under scalar multiples.

Addition

This is the harder side. Given curves γ,β∈Ap(M)\gamma, \beta \in A_p(M), we must find ψ\psi so that Vγ,p+Vβ,pV_{\gamma,p} + V_{\beta,p} is the directional derivative of some curve ψ∈Ap(M)\psi \in A_p(M). Curves cannot be added, so the job is to construct a curve whose directional derivative is that sum. Here the chart is needed for the first time. Coordinates are ordered tuples in Rn\R^n and can be added.

The first attempt that comes to mind is x∘ψ=x∘γ+x∘βx \circ \psi = x \circ \gamma + x \circ \beta. But at τ=0\tau = 0 its value is x(p)+x(p)=2x(p)x(p) + x(p) = 2x(p), so it misses pp and leaves Ap(M)A_p(M). We only need to remove this excess.

x∘ψ=x∘γ+x∘β−x(p)x \circ \psi = x \circ \gamma + x \circ \beta - \xp

Now the value at τ=0\tau = 0 is x(p)x(p), so ψ\psi passes through pp. Let us see whether the directional derivatives really add. Since f∘ψ=F∘(x∘ψ)f \circ \psi = F \circ (x \circ \psi), the chain rule multiplies the derivative of FF by the derivative of the curve’s coordinates, and x(p)\xp is a constant, so it disappears on differentiating. All three curves pass through pp at τ=0\tau = 0, so they are evaluated at the same moment.

Vψ,p(f)=F′(x(p))⋅(x∘ψ)′(0)=F′(x(p))⋅(x∘γ)′(0)+F′(x(p))⋅(x∘β)′(0)V_{\psi,p}(f) = F'(\xp) \cdot (x \circ \psi)'(0) = F'(\xp) \cdot (x \circ \gamma)'(0) + F'(\xp) \cdot (x \circ \beta)'(0)

Running the chain rule backwards, the two terms on the right are Vγ,p(f)V_{\gamma,p}(f) and Vβ,p(f)V_{\beta,p}(f). So for every ff we get this.

Vψ,p(f)=Vγ,p(f)+Vβ,p(f)V_{\psi,p}(f) = V_{\gamma,p}(f) + V_{\beta,p}(f)

Both the left and the right are additions of real numbers, so addition of real numbers took over the job of addition of operators. The directional derivative of the constant curve α(τ)=p\alpha(\tau) = p gives 0 on any ff, so it is the zero vector, and the reversed curve α(−τ)\alpha(-\tau) is the inverse with the opposite sign. Since addition and scalar multiplication are closed and there are a zero and inverses, the collection of directional derivatives is a vector space over R\R. This is the tangent space TpMT_pM at the point pp. Directional derivatives are rates of change along directions tangent to curves, which is why it is called tangent.

The coordinate basis

Now we look for a basis of this vector space. Choose a chart, expand ff in Vα,p(f)V_{\alpha,p}(f) as F∘xF \circ x, put in the curve’s coordinates x0∘α,…,xn−1∘αx^0 \circ \alpha, \dots, x^{n-1} \circ \alpha, and apply the multivariable chain rule. FF is a function of nn variables and every variable is a function of τ\tau, so we multiply the partial derivative in each variable by the τ\tau-derivative of that variable and add.

Vα,p(f)=∑i=0n−1∂F∂xi∣x(p)⋅d(xi∘α)dτ∣τ=0V_{\alpha,p}(f) = \sum_{i=0}^{n-1} \frac{\partial F}{\partial x^i} \Big|_{\xp} \cdot \frac{d (x^i \circ \alpha)}{d\tau} \tz

The two factors in the sum play separate roles. The latter is a real number fixed by the curve alone, and the former is fixed by the function ff and the point pp alone, with no curve in it. We call the latter number viv^i, and define the former as the operator ∂i\partial_i that takes a function and returns a real number.

∂i∣x(p)(f)=∂(f∘x−1)∂xi∣x(p),vi=d(xi∘α)dτ∣τ=0\partial_i \big|_{\xp} (f) = \frac{\partial (f \circ x^{-1})}{\partial x^i} \Big|_{\xp}, \qquad v^i = \frac{d (x^i \circ \alpha)}{d\tau} \tz

Then the directional derivative is written like this.

Vα,p=∑i=0n−1vi ∂i∣x(p)V_{\alpha,p} = \sum_{i=0}^{n-1} v^i \, \partial_i \big|_{\xp}

The nn operators ∂i\partial_i are the basis and viv^i are the components. We call this basis the coordinate basis. This is why an operator ∂i\partial_i gets called a vector. Directional derivatives form a vector space, and ∂i\partial_i sits in the place of a basis of that space. There is no need to draw arrows. After this we can forget about curves and use only v=vi∂iv = v^i \partial_i with the Einstein summation convention.

To confirm that ∂i\partial_i is a basis we must check linear independence. Inside the chart, applying this operator to a coordinate function xjx^j gives ∂i(xj)=δij\partial_i (x^j) = \delta^j_i. If some sum ∑ci∂i\sum c^i \partial_i were the zero operator, applying it to xjx^j gives cj=0c^j = 0, so they are linearly independent. (This explanation is added for understanding, and the lecture only asserts linear independence.) Also, for any reals v0,…,vn−1v^0, \dots, v^{n-1}, the straight-line curve with coordinates x(p)+τ(v0,…,vn−1)x(p) + \tau (v^0, \dots, v^{n-1}) gives the directional derivative vi∂iv^i \partial_i, so every combination of components actually occurs. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture.)

Q. If choosing a basis needs a chart, what changes when the chart changes?
A. The variables we differentiate by change, so ∂i\partial_i changes, and so the basis in the tangent space at each point changes. The vector Vα,pV_{\alpha,p} itself is fixed by the curve and the point, so it stays the same, and its components change by the rule seen in the earlier posts. The definition of the directional derivative has no chart, and the chart enters only when we choose a basis.

The toy below lets you handle this procedure by hand. Drag the velocities of two curves through one point pp and you see two directional derivatives, the directional derivative of the sum curve, and ∑vi∂if\sum v^i \partial_i f written with components.

Point-dependent bases and the dual basis

The tag “evaluate at x(p)x(p)” behind ∂i\partial_i is usually dropped, but it actually matters. The basis at a point pp and the basis at a point qq are the same partial derivative ∂/∂xi\partial/\partial x^i, but the coordinates where they are evaluated, x(p)x(p) and x(q)x(q), differ. Applied to a function they give different numbers. So the tangent spaces at two points are separate vector spaces.

Q. The basis vector is named ∂0\partial_0 at both points. Is it the same vector?
A. It has the same name but is a different vector. The partial derivative has the same form and the point of evaluation differs. The value on a function ff depends on whether ∂0f\partial_0 f is read at x(p)x(p) or at x(q)x(q).

The dual basis is easy. The cotangent space is the space of linear maps that send vectors of the tangent space to real numbers, and the dual basis matching the coordinate basis is the map that gives 1 when it receives ∂j\partial_j with i=ji = j and 0 otherwise. We simply name this map dxidx^i.

dxi(∂j)=δjidx^i (\partial_j) = \delta^i_j

The lecturer says that even if the name looks like a differential or the exterior derivative of a coordinate function, we should not worry and should read it only as the name of the map that gives 1 on its basis vector. These symbols also exist separately at each point.

Summary

What we checked in this post is the following.

  • Once a manifold exists, the collection C∞(M)\Cf of smooth functions and the collection A(M)A(M) of curves are automatically there, and the two fix the directional derivative Vα,p(f)=d(f∘α)/dτ∣0V_{\alpha,p}(f) = d(f \circ \alpha)/d\tau |_{0} at a point pp.
  • The collection of directional derivatives has scalar multiples by changing the curve’s parameter τ→aτ\tau \to a\tau and addition by adding coordinates and subtracting x(p)x(p), so it becomes a vector space over R\R, the tangent space.
  • Choosing a chart gives Vα,p=vi∂i∣x(p)V_{\alpha,p} = v^i \partial_i |_{x(p)} by the multivariable chain rule, and ∂i\partial_i is the coordinate basis. The viv^i are the coordinate derivatives of the curve.
  • The evaluation coordinates tagged on the basis distinguish the tangent spaces point by point, and the dual basis dxidx^i is fixed by dxi(∂j)=δjidx^i(\partial_j) = \delta^i_j.

This construction is the foundation that leads into the Manifold series.

Comments댓글