Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환

Tensor series, part 8: deriving how components change under the matrix that links two bases of one vector space, and what covariant and contravariant meanTensor 시리즈 8편: 한 벡터 스페이스에서 두 기저를 잇는 변환 행렬로 성분이 바뀌는 방식을 유도하고, 공변과 반변이라는 말의 뜻을 정리

Tensor series텐서 시리즈Part 8 of 4040편 중 8번째
  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 8강 Linear Transformations에 해당합니다.

한 벡터 스페이스 안에서

지난 편까지 쓰던 맵은 잠시 잊고, 이번에는 기본 벡터 스페이스 V\V 하나만 봅니다. 듀얼 스페이스도, 텐서 프로덕트 스페이스도 이번 편에서는 쓰지 않습니다. V\V는 실수 위의 벡터 스페이스이고, 원소를 벡터라고 부릅니다. 눈여겨볼 것은 기저입니다. 기저 eμe_\mu는 V\V 전체를 생성하는 벡터들이고, 이런 기저는 하나로 정해져 있지 않습니다.

벡터 ww는 기저 eμe_\mu로 aμeμa^\mu e_\mu처럼 쓸 수 있습니다. 다른 기저 fνf_\nu를 골랐다면 bνfνb^\nu f_\nu처럼 쓸 수 있습니다.

w=aμeμ=bνfνw = a^\mu e_\mu = b^\nu f_\nu

이 등식이 핵심입니다. 벡터 ww는 스페이스 안의 하나의 대상이고, 기저를 고른 다음에야 숫자로 적을 수 있습니다. 기저가 다르면 성분이 달라지지만, 그 차이는 기저의 차이가 메웁니다. 그렇다면 두 기저는 서로 어떤 관계인가 하는 것이 물어야 할 질문이고, 이 관계가 선형 변환linear transformation이라는 주제의 바탕입니다.

두 기저를 잇는 숫자

기저 fνf_\nu도 V\V의 벡터이니 기저 eμe_\mu로 쓸 수 있습니다. 기저의 정의가 바로 그것이기 때문입니다. f0f_0을 이렇게 씁니다.

f0=Λ00e0+Λ01e1+Λ02e2+Λ03e3f_0 = \Lambda_0{}^0 e_0 + \Lambda_0{}^1 e_1 + \Lambda_0{}^2 e_2 + \Lambda_0{}^3 e_3

계수 Λ\Lambda는 두 가지를 알려야 합니다. 아래 첨자는 새 기저 벡터 가운데 어느 것인지, 위 첨자는 옛 기저 벡터 가운데 어느 것에 붙는 계수인지입니다. 다른 새 기저 벡터도 같은 꼴이어서, 아인슈타인 합 규약으로 한 줄에 모입니다.

fν=Λνμ eμf_\nu = \Lambda_\nu{}^\mu\, e_\mu

첨자 μ\mu는 합하고 나면 사라지는 더미 인덱스dummy index입니다. 등식마다, 또는 한 등식의 항마다 따로 쓰이므로 이름을 되풀이해도 섞일 일이 없습니다.

이 식은 선형대수에서 본 행렬의 곱입니다. 새 기저를 세로로 쌓은 열, 옛 기저를 세로로 쌓은 열 사이에 정사각 행렬 Λ\Lambda가 있고, 가로줄 하나가 새 기저 벡터 하나의 계수입니다. 차원이 4이면 숫자 16개입니다. 선형대수 책은 위아래를 구분하지 않고 같은 문자가 두 번 나오면 합하는 약한 규약을 쓰지만, 이 시리즈는 합 규약이 맞도록 위아래를 지킵니다. 그리고 Λ\Lambda는 텐서가 아닙니다. 두 기저를 하나로 이어 주려고 고른 숫자표일 뿐입니다. 추상적인 기저 ee와 ff는 문자일 뿐이지만, Λ\Lambda는 숫자 16개를 정해야 하고, 그 순간 두 기저의 관계가 모호하지 않게 확정됩니다. (행렬 Λ\Lambda는 eνe_\nu를 fνf_\nu로 보내는 V\V 위의 선형 변환의 행렬이라고도 읽을 수 있습니다. 이 해석은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

Q. Λνμ\Lambda_\nu{}^\mu도 첨자가 달렸는데 텐서가 아닌가요?
A. 아닙니다. 텐서 프로덕트 스페이스의 성분은 기저 텐서와 짝을 이루지만, Λ\Lambda는 벡터 여러 개를 합치는 계수를 모아 둔 행렬입니다. 첨자가 있다는 것만으로 텐서가 되지는 않습니다.

성분은 어떻게 바뀌나

이제 ww의 두 가지 표현으로 돌아갑니다. ff 기저로 쓴 ww에 위 식을 넣으면 옛 기저로 쓴 꼴이 나옵니다.

w=bνfν=bνΛνμeμw = b^\nu f_\nu = b^\nu \Lambda_\nu{}^\mu e_\mu

w=aμeμw = a^\mu e_\mu와 견주면, 합해서 남는 첨자 μ\mu가 같은 자리에서 맞물립니다. 기저 안에 있는 계수끼리 같아야 하므로 이렇게 됩니다.

aμ=bνΛνμa^\mu = b^\nu \Lambda_\nu{}^\mu

이 식은 ff 기저의 성분 bb에서 ee 기저의 성분 aa를 만듭니다. 정작 알고 싶은 것은 반대 방향입니다. 행렬이니 반대 방향은 역행렬로 갑니다. 기저도 거꾸로 쓸 수 있습니다.

eμ=(Λ−1)μν fν⟹bν=aμ (Λ−1)μνe_\mu = (\Lambda^{-1})_\mu{}^\nu\, f_\nu \qquad\Longrightarrow\qquad b^\nu = a^\mu\, (\Lambda^{-1})_\mu{}^\nu

모든 것이 숫자 16개 Λ\Lambda 하나에서 나옵니다. Λ\Lambda를 정하면 역행렬은 계산만 하면 정해집니다. 정사각 행렬이면 역행렬을 구하는 절차가 언제나 있습니다. 두 기저는 원소의 수가 같아서(차원은 기저를 이루는 벡터의 최소 개수이고 하나로 정해집니다) Λ\Lambda는 정사각입니다. 거기에 두 기저 모두 일차독립이므로 Λ\Lambda에는 역행렬이 있습니다. (일차독립이라서 역행렬이 있다는 설명은 보탠 것이고, 강의에서는 변환이 의미가 있는 한 역행렬이 있다고만 말했습니다.)

직접 만져 봅시다. 점 f0f_0과 f1f_1을 끌어 Λ\Lambda를 바꾸고, 같은 벡터 ww의 두 성분이 서로를 어떻게 만드는지 보세요. (2차원으로 줄였습니다.)

Q. 기저를 늘이면 성분은 왜 줄어들까요?
A. 벡터 ww는 그대로이기 때문입니다. w=bνfνw = b^\nu f_\nu에서 f0f_0이 두 배로 길어지면 같은 ww를 만들기 위해 b0b^0은 절반이면 됩니다. 기저 벡터가 Λ\Lambda로 바뀌는 만큼 성분이 Λ−1\Lambda^{-1}로 바뀌어서 서로 상쇄합니다.

다시 합쳐 보기

변환이 서로 보완하는지 확인합니다. ff 기저로 쓴 ww에서 출발해서, 성분에는 역행렬을, 기저에는 Λ\Lambda를 적용하면 이렇게 됩니다.

w=aμ(Λ−1)μν Λνρ eρ=aμ δμρ eρ=aμeμw = a^\mu (\Lambda^{-1})_\mu{}^\nu\, \Lambda_\nu{}^\rho\, e_\rho = a^\mu\, \delta_\mu{}^\rho\, e_\rho = a^\mu e_\mu

가운데 두 행렬이 서로 역행렬이어서 델타가 되고, 처음의 ww로 돌아옵니다. 델타 기호가 첨자로도 쓰여서 헷갈리지만 맥락으로 구분됩니다. 변환이 이렇게 반대로 움직이는 까닭이 바로 이 등식이 깨지지 않게 하려는 것입니다.

공변과 반변

기저 벡터와 성분은 서로 반대 행렬로 바뀝니다. 기저 벡터 fνf_\nu는 처음 정한 Λ\Lambda로 바뀌고, 성분 bνb^\nu는 역행렬로 바뀝니다. 이것을 가리키는 말이 있고, 일반 상대성 이론에서 아주 중요하게 쓰입니다. 기저 벡터처럼 바뀌는 것을 공변covariant, 그 반대로 바뀌는 것을 반변contravariant이라고 합니다. 위 첨자는 반변, 아래 첨자는 공변입니다.

기저 벡터가 기준이 된 까닭은 단지 편의입니다. 변환을 생각할 때는 흔히 기저 벡터를 바꾸는 행렬을 먼저 만들고, 그 행렬을 기준으로 삼고, 그 반대쪽을 반변이라고 부릅니다.

Q. 일반 상대성 이론 책은 왜 공변과 반변을 처음부터 이야기할까요?
A. 그런 책에서는 벡터 자체를 거의 볼 수 없기 때문입니다. bμeμb^\mu e_\mu 대신 성분 bμb^\mu만 쓰니 처음 만나는 것이 반변 성분입니다. 숨은 기저 벡터가 공변으로 바뀌고 있다는 사실을 모르면 반변이라는 말이 뜬금없이 나온 것처럼 느껴집니다.

다음 편에서는 이 변환이 텐서 프로덕트 스페이스에서는 어떻게 작동하는지 봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 8 of the playlist, Linear Transformations.

Inside one vector space

Let us forget the maps we used up to the previous post, and this time look only at the basic vector space V\V. We will use neither the dual space nor tensor product spaces in this post. V\V is a vector space over the reals, and its elements are called vectors. What we watch is the basis. A basis eμe_\mu is a set of vectors that generates all of V\V, and there is no single fixed choice of basis.

A vector ww can be written aμeμa^\mu e_\mu in the basis eμe_\mu. If we choose another basis fνf_\nu, it can be written bνfνb^\nu f_\nu.

w=aμeμ=bνfνw = a^\mu e_\mu = b^\nu f_\nu

This equality is the core. The vector ww is a single object inside the space, and we can write it in numbers only after choosing a basis. With a different basis the components differ, but the difference is made up by the difference of the bases. So the question to ask is how the two bases relate to each other, and this relation is the foundation of the topic called linear transformations.

The basis fνf_\nu also consists of vectors of V\V, so we can write them in the basis eμe_\mu. That is exactly what a basis is for. We write f0f_0 like this.

f0=Λ00e0+Λ01e1+Λ02e2+Λ03e3f_0 = \Lambda_0{}^0 e_0 + \Lambda_0{}^1 e_1 + \Lambda_0{}^2 e_2 + \Lambda_0{}^3 e_3

The coefficient Λ\Lambda has to tell us two things. The lower index says which of the new basis vectors we are dealing with, and the upper index says which of the old basis vectors the coefficient belongs to. The other new basis vectors have the same form, so with the Einstein summation convention they gather into one line.

fν=Λνμ eμf_\nu = \Lambda_\nu{}^\mu\, e_\mu

The index μ\mu is a dummy index that disappears once summed. It is used separately in each equation, or in each term of one equation, so reusing the name causes no mix-up.

This expression is a matrix product as we know it from linear algebra. Between the column of new basis vectors and the column of old basis vectors sits a square matrix Λ\Lambda, and one row holds the coefficients of one new basis vector. In dimension 4 that is 16 numbers. Linear algebra books use a weaker convention that sums over a repeated letter without distinguishing up and down, but this series keeps up and down so that the summation convention works. And Λ\Lambda is not a tensor. It is only a table of numbers chosen to link two bases. The abstract bases ee and ff are merely letters, but Λ\Lambda requires fixing 16 numbers, and at that moment the relation between the two bases is fixed without ambiguity. (The matrix Λ\Lambda can also be read as the matrix of the linear transformation of V\V that sends eνe_\nu to fνf_\nu. This reading is added here and was not covered in the lecture.)

Q. Λνμ\Lambda_\nu{}^\mu carries indices too, so isn’t it a tensor?
A. No. The components of a tensor product space pair with basis tensors, but Λ\Lambda is a matrix that collects the coefficients for combining several vectors. Having indices alone does not make something a tensor.

How the components change

Now back to the two expressions of ww. Putting the expression above into ww written in the ff basis gives the form written in the old basis.

w=bνfν=bνΛνμeμw = b^\nu f_\nu = b^\nu \Lambda_\nu{}^\mu e_\mu

Compared with w=aμeμw = a^\mu e_\mu, the surviving index μ\mu meets itself in the same place. The coefficients standing at each basis vector must be equal, so we get this.

aμ=bνΛνμa^\mu = b^\nu \Lambda_\nu{}^\mu

This expression builds the components aa in the ee basis from the components bb in the ff basis. What we really want to know is the opposite direction. Since these are matrices, the opposite direction goes through the inverse matrix. The basis can be written backwards too.

eμ=(Λ−1)μν fν⟹bν=aμ (Λ−1)μνe_\mu = (\Lambda^{-1})_\mu{}^\nu\, f_\nu \qquad\Longrightarrow\qquad b^\nu = a^\mu\, (\Lambda^{-1})_\mu{}^\nu

Everything comes from the single collection of 16 numbers Λ\Lambda. Once Λ\Lambda is fixed, the inverse is determined by computation. For a square matrix there is always a procedure to find the inverse. The two bases have the same number of elements (the dimension is the minimum number of vectors forming a basis, and it is a single number), so Λ\Lambda is square. And both bases are linearly independent, so Λ\Lambda has an inverse. (The explanation that linear independence gives the inverse is added here. The lecture only said that the inverse exists as long as the transformation makes sense.)

Let us handle it. Drag the points f0f_0 and f1f_1 to change Λ\Lambda, and see how the two sets of components of the same vector ww build each other. (I reduced it to 2 dimensions.)

Q. Why do the components shrink when the basis is stretched?
A. Because the vector ww stays the same. In w=bνfνw = b^\nu f_\nu, if f0f_0 becomes twice as long, half of b0b^0 is enough to build the same ww. The components change by Λ−1\Lambda^{-1} exactly as much as the basis vectors change by Λ\Lambda, and the two cancel.

Putting it back together

We check that the transformations compensate each other. Starting from ww written in the ff basis, apply the inverse to the components and Λ\Lambda to the basis.

w=aμ(Λ−1)μν Λνρ eρ=aμ δμρ eρ=aμeμw = a^\mu (\Lambda^{-1})_\mu{}^\nu\, \Lambda_\nu{}^\rho\, e_\rho = a^\mu\, \delta_\mu{}^\rho\, e_\rho = a^\mu e_\mu

The two matrices in the middle are inverses of each other, so they become a delta and we return to the original ww. The delta symbol is also used as an index, which is confusing, but the context separates them. The reason the transformations move in opposite ways is precisely to keep this equality from breaking.

Covariant and contravariant

The basis vectors and the components change by opposite matrices. The basis vector fνf_\nu changes by the Λ\Lambda we fixed at the start, and the component bνb^\nu changes by the inverse. There are words for this, and they are used heavily in general relativity. Whatever changes like the basis vectors is called covariant, and whatever changes the opposite way is called contravariant. Upper indices are contravariant and lower indices are covariant.

The basis vectors became the reference merely for convenience. When we think about a transformation we usually build the matrix that changes the basis vectors first, take that matrix as the reference, and call what goes the other way contra.

Q. Why do general relativity books talk about covariant and contravariant from the start?
A. Because in such books you hardly ever see the vector itself. They write only the component bμb^\mu instead of bμeμb^\mu e_\mu, so the first thing you meet is the contravariant component. Without knowing that the hidden basis vector is changing covariantly, the word contravariant seems to come out of nowhere.

In the next post we look at how this transformation works in tensor product spaces.

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