Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환

Tensor series, part 9: how the components of vectors, covectors and tensors change when the basis changes, and the rule behind the names covariant, contravariant and mixedTensor 시리즈 9편: 기저를 바꿀 때 벡터, 코벡터, 텐서의 성분이 어떻게 변하는지 정리하고, 공변·반변·혼합 텐서의 이름이 붙는 기준을 확인

Tensor series텐서 시리즈Part 9 of 4040편 중 9번째
  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 9강 TPS transformations에 해당합니다. 지난 편의 선형 변환을 텐서 프로덕트 스페이스에 적용합니다.

두 개의 기저

실수 위의 4차원 벡터 스페이스 V\V에는 기저 eμe_\mu가 있고, 듀얼 스페이스 V∗\V^*에는 듀얼 기저 eμe^\mu가 있습니다. 둘은 아래 규칙으로 묶여 있습니다.

⟨eν,eμ⟩=δνμ\map{e^\nu}{e_\mu} = \delta^\nu{}_\mu

이 규칙은 계산이 쉬워지도록 우리가 고른 것입니다. 첨자의 위치도 미리 알려 주는 바가 있습니다. 아래 첨자는 공변으로, 위 첨자는 반변으로 변환될 것이라는 표시입니다. 이제 두 번째 기저를 하나 더 둡니다. 지난 편에는 fμf_\mu를 썼지만, 이번에는 모자를 씌워 e^μ\hat e_\mu라고 쓰고, 같은 규칙으로 듀얼 기저 e^μ\hat e^\mu를 정합니다.

기저가 바뀌는 방식

모자 기저와 모자 없는 기저 사이를 잇는 것은 가역 행렬 Λ\Lambda입니다.

e^μ=Λνμ eν\hat e_\mu = \Lambda^\nu{}_\mu\, e_\nu

듀얼 기저는 같은 행렬이 아니라 그 역행렬로 바뀝니다.

e^μ=(Λ−1)μν eν\hat e^\mu = (\Lambda^{-1})^\mu{}_\nu\, e^\nu

규칙 ⟨e^μ,e^ν⟩=δμν\map{\hat e^\mu}{\hat e_\nu} = \delta^\mu{}_\nu가 모자 기저에서도 지켜지려면 역행렬이어야 합니다. 직접 계산해 보면 ⟨e^μ,e^ν⟩=(Λ−1)μα Λβν δαβ=(Λ−1Λ)μν=δμν\map{\hat e^\mu}{\hat e_\nu} = (\Lambda^{-1})^\mu{}_\alpha\, \Lambda^\beta{}_\nu\, \delta^\alpha{}_\beta = (\Lambda^{-1}\Lambda)^\mu{}_\nu = \delta^\mu{}_\nu입니다. (이 검산은 결과만 적은 강의를 제가 보충한 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

용어의 뜻은 여기서 정해집니다. 우리가 처음 만든 것은 벡터 스페이스의 기저 벡터이고, 그 기저를 바꾸는 행렬이 출발점입니다. 그 행렬로 바뀌는 쪽을 공변covariant, 그 행렬의 역행렬로 바뀌는 쪽을 반변contravariant이라고 부릅니다. 이름의 유래는 이것이 전부입니다.

Q. 반변이면 반대 방향으로 간다는 뜻인가요?
A. 방향은 같습니다. 두 경우 모두 모자 기저에서 모자 없는 기저 쪽으로 가는 길을 말하고, 다른 것은 그 길을 가는 데 쓰는 도구입니다. 공변인 대상에는 Λ\Lambda를, 반변인 대상에는 Λ−1\Lambda^{-1}을 씁니다. 대상에 맞는 도구를 쓸 뿐입니다.

벡터와 코벡터의 성분

벡터 aμeμa^\mu e_\mu는 모자 기저로도 쓸 수 있습니다. 벡터 자체는 하나이고, 기저와 성분이 함께 바뀝니다.

aμeμ=a^μe^μa^\mu e_\mu = \hat a^\mu \hat e_\mu

기저가 Λ\Lambda로 바뀌니 성분은 반대로 움직여서 곱의 합이 그대로 남아야 합니다. 양변을 풀면 aν=Λνμa^μa^\nu = \Lambda^\nu{}_\mu \hat a^\mu이므로 a^μ=(Λ−1)μν aν\hat a^\mu = (\Lambda^{-1})^\mu{}_\nu\, a^\nu입니다. 듀얼 스페이스의 원소 bμeμb_\mu e^\mu는 기저가 Λ−1\Lambda^{-1}로 바뀌므로 성분이 b^ν=Λμν bμ\hat b_\nu = \Lambda^\mu{}_\nu\, b_\mu로 바뀝니다. (이 풀이는 위 규칙에서 따라 나오는 결과를 제가 적은 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 외울 것은 하나입니다. 위 첨자가 있는 대상은 아래 첨자가 있는 대상과 반대 행렬로 바뀝니다.

텐서 프로덕트 스페이스의 성분

이제 곱 스페이스입니다. V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V^* \otimes \V^*를 골라 보겠습니다. 이것은 (1, 2) 텐서 프로덕트 스페이스이고, 1은 앞에 놓인 벡터 스페이스의 수, 2는 뒤에 놓인 듀얼 스페이스의 수입니다. 기저와 임의의 텐서는 이렇게 씁니다.

eμ⊗eν⊗eλ,A=Aμνλ  eμ⊗eν⊗eλe_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda, \qquad A = A^\mu{}_{\nu\lambda}\; e_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda

기저의 첨자 순서와 성분의 첨자 순서를 같게 적는 것은 군더더기처럼 보여도 이유가 있습니다. 일반 상대성 이론에서는 기저를 거의 적지 않고 성분만 들고 다니는데, 첨자의 위치와 순서에 기저 쪽 정보가 다 들어 있기 때문입니다.

기저를 바꿔 봅시다. eμ=(Λ−1)αμ e^αe_\mu = (\Lambda^{-1})^\alpha{}_\mu\, \hat e_\alpha이고 eν=Λνβ e^βe^\nu = \Lambda^\nu{}_\beta\, \hat e^\beta입니다. 이것을 모든 기저 벡터에 대입합니다. 텐서 프로덕트는 다중 선형multilinear이므로 상수인 행렬 성분을 앞으로 모두 꺼낼 수 있습니다.

A=Aμνλ (Λ−1)αμ Λνβ Λλγ    e^α⊗e^β⊗e^γA = A^\mu{}_{\nu\lambda}\,(\Lambda^{-1})^\alpha{}_\mu\, \Lambda^\nu{}_\beta\, \Lambda^\lambda{}_\gamma\;\; \hat e_\alpha \otimes \hat e^\beta \otimes \hat e^\gamma

모자 기저 앞에 붙은 것이 새 성분입니다.

A^αβγ=(Λ−1)αμ Λνβ Λλγ Aμνλ\hat A^\alpha{}_{\beta\gamma} = (\Lambda^{-1})^\alpha{}_\mu\, \Lambda^\nu{}_\beta\, \Lambda^\lambda{}_\gamma\, A^\mu{}_{\nu\lambda}

성분은 위 첨자마다 Λ−1\Lambda^{-1}을 한 번, 아래 첨자마다 Λ\Lambda를 한 번 받습니다. 기저 벡터는 정확히 그 반대로 바뀌고, 둘이 서로 상쇄해서 텐서 자체는 변하지 않습니다. 2차원으로 줄여서 직접 확인해 봅시다.

Q. 기저를 바꾸면 텐서 자체도 바뀌나요?
A. 바뀌지 않습니다. 위 장난감에서 Λ\Lambda를 어떻게 고르든, 처음 기저에서 계산한 실수와 새 기저에서 계산한 실수가 같습니다. 달라지는 것은 그 텐서를 적는 숫자들뿐입니다. (이 설명은 2차원 예시로 확인한 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

공변, 반변, 혼합

텐서의 이름은 보통 성분을 보고 붙입니다. 성분이 텐서를 정의하다시피 하기 때문입니다. 그런데 기저 벡터의 첨자는 성분과 정반대이므로, 이름을 붙일 때는 성분 쪽의 위치를 기준으로 삼는다는 점을 기억해야 합니다.

방금 본 AμνλA^\mu{}_{\nu\lambda}는 성분에 위 첨자와 아래 첨자가 섞여 있습니다. 완전히 공변으로도, 완전히 반변으로도 변하지 않으므로 혼합 텐서mixed tensor입니다. 듀얼 스페이스만 곱한 (0, 3) 텐서 프로덕트 스페이스를 생각해 봅시다. 기저는 eμ⊗eν⊗eλe^\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda이고 성분은 AμνλA_{\mu\nu\lambda}로, 첨자가 모두 아래에 있습니다. 이런 텐서를 완전 공변fully covariant 텐서라고 부릅니다. 이 맵은 벡터 세 개를 받아 실수를 내놓습니다. 반대로 벡터 스페이스만 세 번 곱한 (3, 0) 스페이스의 텐서는 성분이 AμνλA^{\mu\nu\lambda}이고 완전 반변fully contravariant 텐서입니다. 기저 벡터는 이름과 반대로 변한다는 것을 한 번 더 확인해 두세요.

서로 다른 스페이스

(0, 3) 스페이스와 (3, 0) 스페이스는 완전히 다른 벡터 스페이스입니다. 서로 다른 벡터 스페이스의 벡터끼리 더할 수 없듯이, 둘 사이에는 아무 관계가 없습니다. 같은 V\V에서 출발했고, 차원이 같고, 실수 위에 있다는 사실만 공통입니다. 지금은 V\V의 벡터를 V∗\V^*의 맵 하나와 짝지을 방법이 없고, 그 짝짓기를 만드는 일이 이 게임의 핵심입니다. 내적과 메트릭 텐서를 다룰 때 그 방법을 만나게 됩니다.

Q. AμνλA^{\mu\nu\lambda}에서 첨자를 내리면 곧바로 AμνλA_{\mu\nu\lambda}가 되는 것 아닌가요?
A. 지금은 그럴 수 없습니다. 첨자를 올리고 내린다는 것은 서로 다른 두 스페이스를 오간다는 뜻이고, 그러려면 둘을 잇는 장치가 필요합니다. 그 장치가 메트릭 텐서입니다. 장치가 생기기 전에는 (0, 3)과 (3, 0)의 원소를 같은 것으로 볼 근거가 없습니다.

변환으로 분류하기

여기서 보인 것처럼 대상을 부르는 이름은 모두 기저를 바꿀 때 어떻게 변하는지로 붙었습니다. 공변, 반변, 혼합이 그렇습니다. 이것은 물리에서 되풀이되는 방식입니다. 좌표계를 바꾸거나 게이지 변환gauge transformation을 할 때 변하는 방식이 가장 근본적인 대상의 핵심 성질로 드러나기 때문입니다. 모든 소립자는 로런츠 변환Lorentz transformation과 푸앵카레 변환Poincaré transformation에서 어떻게 변하는지로 분류됩니다. 일반 상대성 이론에서는 일반 좌표 변환에서 변하는 방식이 그 기준입니다.

다음 편에서는 벡터 스페이스에 두 벡터를 받아 실수를 내놓는 함수 하나를 더해, 내적을 가진 스페이스로 만듭니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 9 of the playlist, TPS transformations. It applies the linear transformations of the previous post to tensor product spaces.

Two bases

The 4-dimensional real vector space V\V has a basis eμe_\mu, and the dual space V∗\V^* has the dual basis eμe^\mu. They are tied together by the rule below.

⟨eν,eμ⟩=δνμ\map{e^\nu}{e_\mu} = \delta^\nu{}_\mu

We picked this rule because it makes calculation easy. The position of an index also announces something in advance. A lower index signals that the object will transform covariantly, and an upper index signals that it will transform contravariantly. Now we add a second basis. Last time we called it fμf_\mu, but this time we put a hat on it and write e^μ\hat e_\mu, and we fix its dual basis e^μ\hat e^\mu by the same rule.

How the basis changes

The link between the hatted and unhatted bases is an invertible matrix Λ\Lambda.

e^μ=Λνμ eν\hat e_\mu = \Lambda^\nu{}_\mu\, e_\nu

The dual basis does not change with the same matrix but with its inverse.

e^μ=(Λ−1)μν eν\hat e^\mu = (\Lambda^{-1})^\mu{}_\nu\, e^\nu

For the rule ⟨e^μ,e^ν⟩=δμν\map{\hat e^\mu}{\hat e_\nu} = \delta^\mu{}_\nu to hold in the hatted basis as well, it has to be the inverse. Computing directly gives ⟨e^μ,e^ν⟩=(Λ−1)μα Λβν δαβ=(Λ−1Λ)μν=δμν\map{\hat e^\mu}{\hat e_\nu} = (\Lambda^{-1})^\mu{}_\alpha\, \Lambda^\beta{}_\nu\, \delta^\alpha{}_\beta = (\Lambda^{-1}\Lambda)^\mu{}_\nu = \delta^\mu{}_\nu. (This check is my own supplement to a lecture that only states the result, and was not covered in the lecture.)

The meaning of the terms is fixed here. The first thing we built is the basis vectors of the vector space, and the matrix that changes that basis is our starting point. What changes with that matrix is called covariant, and what changes with its inverse is called contravariant. That is the whole origin of the names.

Q. Does contravariant mean going in the opposite direction?
A. The direction is the same. In both cases we are talking about the path from the hatted basis to the unhatted basis, and what differs is the tool used on that path. A covariant object uses Λ\Lambda and a contravariant object uses Λ−1\Lambda^{-1}. We just use the right tool for each object.

Components of vectors and covectors

The vector aμeμa^\mu e_\mu can also be written in the hatted basis. The vector itself is one object, and the basis and the components change together.

aμeμ=a^μe^μa^\mu e_\mu = \hat a^\mu \hat e_\mu

The basis changes with Λ\Lambda, so the components must move the opposite way for the sum of products to stay the same. Solving both sides gives aν=Λνμa^μa^\nu = \Lambda^\nu{}_\mu \hat a^\mu, so a^μ=(Λ−1)μν aν\hat a^\mu = (\Lambda^{-1})^\mu{}_\nu\, a^\nu. An element bμeμb_\mu e^\mu of the dual space has a basis that changes with Λ−1\Lambda^{-1}, so its components change as b^ν=Λμν bμ\hat b_\nu = \Lambda^\mu{}_\nu\, b_\mu. (This solution is my own working-out of what follows from the rules above, and was not covered in the lecture.) There is one thing to remember. An object with an upper index changes with the opposite matrix to an object with a lower index.

Components in a tensor product space

Now the product spaces. Let us pick V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V^* \otimes \V^*. It is a (1, 2) tensor product space, where 1 is the number of vector spaces placed first and 2 is the number of dual spaces placed after them. The basis and an arbitrary tensor are written like this.

eμ⊗eν⊗eλ,A=Aμνλ  eμ⊗eν⊗eλe_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda, \qquad A = A^\mu{}_{\nu\lambda}\; e_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda

Writing the indices of the basis and of the components in the same order may look redundant, but there is a reason. In general relativity we hardly ever write the basis and carry only the components around, because the positions and order of the indices hold all the information about the basis.

Let us change the basis. We have eμ=(Λ−1)αμ e^αe_\mu = (\Lambda^{-1})^\alpha{}_\mu\, \hat e_\alpha and eν=Λνβ e^βe^\nu = \Lambda^\nu{}_\beta\, \hat e^\beta. Substitute these for every basis vector. The tensor product is multilinear, so all the matrix entries, which are constants, can be pulled to the front.

A=Aμνλ (Λ−1)αμ Λνβ Λλγ    e^α⊗e^β⊗e^γA = A^\mu{}_{\nu\lambda}\,(\Lambda^{-1})^\alpha{}_\mu\, \Lambda^\nu{}_\beta\, \Lambda^\lambda{}_\gamma\;\; \hat e_\alpha \otimes \hat e^\beta \otimes \hat e^\gamma

What stands in front of the hatted basis is the new component.

A^αβγ=(Λ−1)αμ Λνβ Λλγ Aμνλ\hat A^\alpha{}_{\beta\gamma} = (\Lambda^{-1})^\alpha{}_\mu\, \Lambda^\nu{}_\beta\, \Lambda^\lambda{}_\gamma\, A^\mu{}_{\nu\lambda}

The components receive one Λ−1\Lambda^{-1} for each upper index and one Λ\Lambda for each lower index. The basis vectors change in exactly the opposite way, and the two cancel each other, so the tensor itself does not change. Let us check this by hand, reduced to 2 dimensions.

Q. Does the tensor itself change when we change the basis?
A. It does not. However you choose Λ\Lambda in the toy above, the real number computed in the old basis and the one computed in the new basis agree. Only the numbers used to write the tensor change. (This explanation was checked with a 2-dimensional example and was not covered in the lecture.)

Covariant, contravariant and mixed

A tensor is usually named after its components, because the components practically define it. But the indices of the basis vectors are exactly opposite to those of the components, so remember that the names are given by the positions on the component side.

The AμνλA^\mu{}_{\nu\lambda} we just saw has both upper and lower indices in its components. It changes neither fully covariantly nor fully contravariantly, so it is a mixed tensor. Now consider the (0, 3) tensor product space, built only from dual spaces. Its basis is eμ⊗eν⊗eλe^\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda and its components are AμνλA_{\mu\nu\lambda}, with every index down. Such a tensor is called fully covariant. This map takes three vectors and returns a real number. In the opposite case, a tensor of the (3, 0) space, built only from the vector space, has components AμνλA^{\mu\nu\lambda} and is a fully contravariant tensor. Check once more that the basis vectors change opposite to the name.

Different spaces

The (0, 3) space and the (3, 0) space are completely different vector spaces. Just as we cannot add vectors from different vector spaces, there is no relation between the two. All they share is that they started from the same V\V, have the same dimension, and sit over the real numbers. For now there is no way to pair a vector of V\V with a map in V∗\V^*, and building that pairing is the whole point of this game. We will meet the method when we get to the inner product and the metric tensor.

Q. If I lower the indices of AμνλA^{\mu\nu\lambda}, don’t I get AμνλA_{\mu\nu\lambda} right away?
A. Not for now. Raising and lowering indices means moving between two different spaces, and that needs a device that connects them. The device is the metric tensor. Before it exists, we have no ground to treat an element of (0, 3) and an element of (3, 0) as the same thing.

Classifying by transformation

As we saw here, the names we give objects all come from how they change when the basis changes. Covariant, contravariant and mixed are examples. This is a pattern that keeps coming back in physics. When we change the coordinate system or perform a gauge transformation, the way things change turns out to be a core property of the most fundamental objects. Every elementary particle is classified by how it changes under Lorentz and Poincaré transformations. In general relativity the criterion is how things change under general coordinate transformations.

In the next post we add one function to the vector space that takes two vectors and returns a real number, which turns it into a space with an inner product.

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