Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트

Tensor series, part 4: how vectors and dual vectors relate, and the Cartesian product as a set of ordered pairsTensor 시리즈 4편: 벡터와 듀얼 벡터의 관계를 정리하고, 순서쌍의 집합인 카테시안 프로덕트를 정의

Tensor series텐서 시리즈Part 4 of 4040편 중 4번째
  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 4강 Cartesian Products에 해당합니다.

지금까지 만든 것

벡터 스페이스 V\V를 하나 만들면, 그 순간 듀얼 스페이스dual space V∗\V^*가 함께 생깁니다. 둘 다 실수 R\R 위의 벡터 스페이스이고 차원도 같습니다. 기저 벡터는 V\V 쪽은 아래 첨자 eμe_\mu, V∗\V^* 쪽은 위 첨자 eμe^\mu로 씁니다. 이 첨자는 그 기저 벡터가 어느 스페이스에서 왔는지를 알려 주는 표시입니다.

듀얼의 듀얼

V∗\V^*도 벡터 스페이스이니, 그 위에서 R\R로 가는 맵의 모음을 또 생각할 수 있습니다. 듀얼의 듀얼double dual이죠. 그러면 듀얼, 듀얼의 듀얼, 그 듀얼의 듀얼… 이렇게 끝없이 이어질까요?

그렇지 않습니다. 맵을 써 온 괄호 표기를 다시 보면 이유가 보입니다.

⟨Λ,v⟩∈R\map{\Lambda}{v} \in \R

이 식은 두 가지로 읽을 수 있습니다. 벡터 vv가 자리에 있고 맵이 들어오기를 기다리는 것으로 읽을 수도 있고, 맵 Λ\Lambda가 정해져 있고 벡터가 들어오기를 기다리는 것으로 읽을 수도 있습니다. 앞쪽으로 읽으면 벡터는 듀얼 스페이스의 원소를 받아 실수를 내주는 맵입니다. 뒤쪽으로 읽으면 듀얼 벡터는 벡터를 받아 실수를 내주는 맵입니다. 어느 쪽에도 더 높고 낮은 구분이 없습니다. 그래서 듀얼의 듀얼은 원래의 V\V와 같은 것으로 다루고(차원이 유한한 경우입니다), 스페이스는 V\V와 V∗\V^* 둘뿐입니다. 우리가 V\V를 먼저 만들었으니 그쪽을 벡터 스페이스라고 부르고 다른 쪽을 듀얼 스페이스라고 부를 뿐이고, 둘 다 벡터 스페이스입니다.

Q. 그럼 코벡터covector는 벡터와 다른 대상인가요?
A. 벡터입니다. 벡터 스페이스의 원소는 정의상 모두 벡터이니까요. V∗\V^*의 원소를 코벡터라고 부르는 것은 V\V를 중심에 놓았기 때문이고, “V\V에 딸린 맵”이라는 뜻으로 co를 붙인 것입니다. 이 구분은 나중에 공변과 반변을 가르는 기준이 되니 기억해 둘 만합니다.

맵이 벡터에 작용하는 모양

듀얼 스페이스의 임의의 맵은 bμeμb_\mu e^\mu, 벡터 스페이스의 임의의 벡터는 aνeνa^\nu e_\nu로 쓸 수 있습니다. 계수 bμb_\mu를 마음대로 고르면 맵이 마음대로 정해집니다. 선형성 덕분에 계수는 밖으로 나오고, 듀얼 기저의 규칙 ⟨eμ,eν⟩=δμν\map{e^{\mu}}{e_{\nu}} = \delta^{\mu}{}_{\nu}를 쓰면 이렇게 됩니다.

⟨bμeμ,aνeν⟩=bμaν⟨eμ,eν⟩=bμaνδμν=bμaμ\map{b_\mu e^\mu}{a^\nu e_\nu} = b_\mu a^\nu \map{e^\mu}{e_\nu} = b_\mu a^\nu \delta^{\mu}{}_{\nu} = b_\mu a^\mu

곱하는 것이 전부 실수이므로 결과도 실수입니다. 이 규칙은 계산이 편해서 제가 고른 것이고, V\V의 벡터 aμeμa^\mu e_\mu와 V∗\V^*의 코벡터 aμeμa_\mu e^\mu가 자연스럽게 짝이라는 뜻은 아닙니다. 두 스페이스를 이어 주는 것은 서로가 서로를 R\R로 보내는 맵이라는 사실뿐입니다.

Q. b0a0+b1a1+b2a2+b3a3b_0 a^0 + b_1 a^1 + b_2 a^2 + b_3 a^3은 내적dot product과 똑같이 생겼는데요?
A. 닮았지만 다른 연산입니다. 내적은 같은 벡터 스페이스에서 벡터 두 개를 받아 실수를 내줍니다. 여기서는 서로 다른 스페이스의 원소인 코벡터 하나와 벡터 하나를 받습니다. 정의역이 완전히 다릅니다.

카테시안 프로덕트

이제 새 도구를 하나 만듭니다. 카테시안 프로덕트Cartesian product A×BA \times B는 집합 두 개를 받아 집합 하나를 내주는 이항 연산binary operation입니다. 이항 연산이란 왼쪽에 하나, 오른쪽에 하나를 놓으면 세 번째 대상이 나오는 연산을 말합니다. 만드는 방법은 이렇습니다.

A×B={(a,b)∣a∈A, b∈B}A \times B = \{ (a, b) \mid a \in A,\ b \in B \}

앞 집합에서 하나, 뒤 집합에서 하나를 뽑아 순서쌍ordered pair을 만들 수 있는 경우를 모두 만들어서 한 집합에 담습니다. 집합이 무한해도 같은 방법입니다. 여기에는 집합이기만 하면 되고 벡터 스페이스일 필요는 없지만, 벡터 스페이스도 집합이니 곱할 수 있습니다. 이 시리즈에서 쓸 곱이 바로 그런 것입니다.

직접 만들어 봅시다. 원소를 눌러 집합을 정하고, A×BA \times B와 B×AB \times A를 오가며 칸이 어떻게 바뀌는지 보세요.

Q. (a,1)(a, 1)과 (1,a)(1, a)는 같은 원소인가요?
A. 다릅니다. 순서쌍은 자리가 뜻을 가지기 때문에, 첫 자리는 앞 집합에서 오고 둘째 자리는 뒤 집합에서 옵니다. 그래서 A×BA \times B와 B×AB \times A는 일반적으로 같은 집합이 아닙니다.

왜 이런 걸 만들까요?

이항 연산도 맵으로 쓰고 싶기 때문입니다. 맵을 쓰려면 정의역과 공역이 필요한데, 이항 연산은 입력이 두 개입니다. 그런데 앞 집합 AA에서 하나, 뒤 집합 BB에서 하나를 고른 모든 경우의 모음이 바로 A×BA \times B입니다. 그러니 이항 연산 ⊛\circledast를 이렇게 쓸 수 있습니다.

⊛:A×B→C\circledast : A \times B \to C

입력이 두 개로 보이던 연산이 순서쌍 하나를 받는 평범한 맵이 됩니다. 세 개 이상도 같습니다. 순서 세쌍이나 순서 네쌍을 담은 곱을 만들면 입력이 셋, 넷인 연산도 맵으로 쓸 수 있습니다.

다음 편에서는 이 도구를 벡터와 코벡터에 적용해서 텐서를 정의합니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 4 of the playlist, Cartesian Products.

What we have built so far

The moment we create a vector space V\V, its dual space V∗\V^* comes along. Both are vector spaces over the real numbers R\R and they have the same dimension. We write the basis vectors of V\V with a lower index eμe_\mu and those of V∗\V^* with an upper index eμe^\mu. The index tells us which space a basis vector came from.

The dual of the dual

V∗\V^* is a vector space too, so we can think of the collection of maps from it to R\R again. That is the double dual. Then do we get a dual, a dual of the dual, a dual of that, and so on forever?

No. The bracket notation we have been using for maps shows why.

⟨Λ,v⟩∈R\map{\Lambda}{v} \in \R

This expression can be read in two ways. We can read it as a vector vv sitting in place and waiting for a map to come in, or as a map Λ\Lambda fixed in place and waiting for a vector. Read the first way, a vector is a map that takes an element of the dual space and gives back a real number. Read the second way, a dual vector is a map that takes a vector and gives back a real number. Neither side ranks above the other. So the double dual is treated as the same thing as the original V\V (for finite dimensions), and there are only two spaces, V\V and V∗\V^*. Because we created V\V first, we call it the vector space and the other the dual space, and both are vector spaces.

Q. Then is a covector not a vector?
A. It is a vector. Every element of a vector space is a vector by definition. We call the elements of V∗\V^* covectors because we put V\V at the center, and the co means a map attached to V\V. This distinction will later become the criterion that separates covariant from contravariant, so it is worth remembering.

How a map acts on a vector

An arbitrary map in the dual space can be written bμeμb_\mu e^\mu and an arbitrary vector in the vector space aνeνa^\nu e_\nu. Choosing the coefficients bμb_\mu freely gives an arbitrary map. By linearity the coefficients come out, and the dual basis rule ⟨eμ,eν⟩=δμν\map{e^{\mu}}{e_{\nu}} = \delta^{\mu}{}_{\nu} gives this.

⟨bμeμ,aνeν⟩=bμaν⟨eμ,eν⟩=bμaνδμν=bμaμ\map{b_\mu e^\mu}{a^\nu e_\nu} = b_\mu a^\nu \map{e^\mu}{e_\nu} = b_\mu a^\nu \delta^{\mu}{}_{\nu} = b_\mu a^\mu

Everything multiplied is a real number, so the result is a real number. I chose this rule because it makes calculation convenient. It does not mean that the vector aμeμa^\mu e_\mu in V\V and the covector aμeμa_\mu e^\mu in V∗\V^* are naturally partners. The only thing connecting the two spaces is the fact that each one sends the other to R\R.

Q. b0a0+b1a1+b2a2+b3a3b_0 a^0 + b_1 a^1 + b_2 a^2 + b_3 a^3 looks just like the dot product.
A. It resembles it, but it is a different operation. The dot product takes two vectors from the same vector space and gives a real number. Here we take one covector and one vector, elements of different spaces. The domains are completely different.

The Cartesian product

Now we build a new tool. The Cartesian product A×BA \times B is a binary operation that takes two sets and gives one set. A binary operation is one where you put one object on the left and one on the right, and a third object comes out. It is built like this.

A×B={(a,b)∣a∈A, b∈B}A \times B = \{ (a, b) \mid a \in A,\ b \in B \}

Take one element from the first set and one from the second, form an ordered pair in every possible way, and collect them all in one set. The sets may be infinite and the recipe stays the same. All we need is for them to be sets, and they do not have to be vector spaces. Vector spaces are sets too, so we can multiply them. The products we will use in this series are exactly of that kind.

Let us build one by hand. Press elements to choose the sets, and switch between A×BA \times B and B×AB \times A to see how the cells change.

Q. Are (a,1)(a, 1) and (1,a)(1, a) the same element?
A. They are different. In an ordered pair the position carries meaning: the first slot comes from the first set and the second slot from the second set. So A×BA \times B and B×AB \times A are in general not the same set.

Why build this?

Because we want to write binary operations as maps too. To use a map we need a domain and a codomain, but a binary operation has two inputs. The collection of every way to choose one element from the first set AA and one from the second set BB is exactly A×BA \times B. So we can write a binary operation ⊛\circledast like this.

⊛:A×B→C\circledast : A \times B \to C

An operation that looked like it had two inputs becomes an ordinary map that takes a single ordered pair. Three or more inputs work the same way. If we form products of ordered triples or ordered quadruples, operations with three or four inputs can be written as maps as well.

In the next post we apply this tool to vectors and covectors to define a tensor.

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