Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Линейная алгебра.-1

.pdf
Скачиваний:
2
Добавлен:
20.11.2023
Размер:
10.82 Mб
Скачать

§ 2. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ НАД ТЕНЗОРАМИ

 

 

261

С оотнош ение (8.36)

назы вается

условием сим м ет р и и тензора

А по

ниж ним индексам с ном ерам и т и п .

 

 

 

 

Тензор А назы вается кососим м ет ричны м по ниж ним индексам i m

и гп , если при перестановке этих

 

индексов справедливо соотнош ение

дкг ...к

=

ki...kq

 

 

 

(8.37)

Л

Н . . л п

- А ,Ъ\ •.•Ъ'п ^772 • • •Ър

 

 

С оотнош ение (8.37)

назы вается

условием кососим м ет рии

тензора А

по ниж ним индексам с ном ерам и т и п .

 

 

 

 

А налогично вводится понятие симметрии и кососимм етрии тензора

по двум верхним индексам .

 

 

 

 

 

 

З а м е ч а н и е . Если

условие симметрии (кососимметрии)

по

н и ж ­

ним индексам i m и

i n

вы полняется д л я тензора

А в данной

системе

координат, то оно вы полняется и в лю бой другой

системе

координат.

П ерейдем теперь к описанию

операции сим м ет рирования.

 

 

П усть А — тензор

типа (р, q)

с координатам и

(8.35). П ереставим у

каж дой координаты

ниж ние индексы с ном ерам и ш и п и

затем по­

строим тензор А(ш? п) с координатам и

 

 

 

 

\ ( 4

;:7:...;....,,

+ 4 v : . t

) •

 

 

(8-38)

О перация построения тензора

А(ш?п) назы вается операцией

си м ­

м ет рирования тензора А по ниж ним индексам с ном ерам и т и п .

О тметим, что координаты (8.38) тензора А(ш?п) обы чно обознача­

ю тся символами

дк\...кд

(8.39)

i\ {im in)—ip

О чевидно, д л я тензора А(ш?п) вы полняется условие сим метрии (8.36) по ниж ним индексам с ном ерам и т и п .

О перация сим м етрирования тензора по верхним индексам с номе­ рам и т и п определяется аналогично. П остроенны й тензор обозначает­

ся символом А.(т ’п) . Д л я

координат тензора А.(т ’п) используется обо­

значение, аналогичное обозначению (8.39)

координат

тензора A(m?ny

О перация альт ернирования тензора А

по ниж ним

индексам с но­

м ерам и т и п

производится следую щ им образом .

 

У каж дой координаты тензора А переставляю тся ниж ние индексы

с ном ерам и ш и п и

затем строится тензор А[ш? п] с координатам и

 

1

(А * 1

■kq

■kq

(8.40)

 

2

im in

in •• •im

О перация

построения

тензора A[m?n]

 

назы вается

операцией а ль ­

т ернирования

тензора А по ниж ним индексам с ном ерам и т и п .

262

 

 

ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ

 

 

 

К оординаты

(8.40)

тензора

Л[т?п ]

обы чно обозначаю тся

символами

 

 

 

 

 

 

 

 

(8.41)

О чевидно,

д л я

тензора

А[ш?п]

вы полняется

условие

кососиммет-

рии (8.37) по ниж ним индексам гш

и i n .

 

 

 

 

О перация альтернирования тензора

по вер хн и м индексам

i m и i n

определяется

аналогично. П остроенны й

тензор

обозначается

симво­

лом Т га> 4 Д л я координат тензора А К " ] используется обозначение, аналогичное обозначению (8.41) координат тензора Аут ^пу

В заклю чение отметим очевидное равенство

A^(га, п ) “1 ^ [т ,п ]-

§3. М етри ческ и й тен зор . О сновны е операции векторной

алгебры в тен зорн ы х обозн ач ен и ях

1. П онятие м етрического тен зор а в евклидовом п ростран ­ стве.

В § 2 гл. 7 говорилось о том, что скалярное произведение в ко­ нечномерном линейном пространстве м ож ет бы ть задано с помощ ью билинейной ф орм ы , полярной некоторой полож ительно определенной квадрати чн ой ф орм е. В этом п ар агр аф е мы будем считать, что в рас­ см атриваем ом конечномерном евклидовом пространстве Е п скалярное произведение задано такого типа билинейной ф орм ой А (х, у).

В п. 2 преды дущ его

п ар а гр аф а

(пример

3) мы

убедились, что

коэф ф и ц и ен ты

м атрицы

 

билинейной

ф орм ы могут

рассм атри ваться

как координаты

тензора. Эти коэф ф и ц и ен ты

д л я

билинейной ф о р ­

мы А (х,

у ), с помощ ью которой задается скалярное ум нож ение в Е п ,

мы обозначим через gij.

Таким образом,

— координаты некоторого

тензора G в базисе e i, е 2, ... , е п . Э тот тензор

типа

(2

, 0 ) н азы вается

м ет р и ческ и м

т ензором

п ространства Е п . Н апомним, что координа­

ты gij тензора G определяю тся соотнош ениями

 

 

 

 

 

 

 

 

9ij =

A (e i> e j)

 

 

(8.42)

(см. ф орм улу

(8.23)).

 

 

 

 

 

 

А (х,

у)

 

Зам етим

такж е,

что

так

как

ф о р м а

сим м етрична

(х, у)

= А (у, х)),

то,

согласно (8.42),

gij =

gji, т. е. м ет рический

т ензор G

сим м ет р и чен по н и ж н и м

индексам i и j .

 

 

П усть х н у

— произвольны е векторы

в Е п , х г и у 3 — координаты

этих векторов

в базисе e i,

е 2, ... ,

е п .

 

 

 

 

 

§ 3. ОПЕРАЦИИ В ТЕНЗОРНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЯХ

263

С калярное произведение (х, у) векторов х н у равно А (х, у). О бра­ щ аясь к вы раж ению (8.24) д л я билинейной ф орм ы в данном базисе и

используя равенство (х, у) =

А (х,

у), получим следую щ ую ф орм улу

д л я скалярного произведения (х,

у)

векторов х н у :

 

(х,

у)

=

д ц х гу 3.

(8.43)

В частности, скалярны е произведения (щ , e j) базисны х векторов щ и ej равны gij\

(е гг e j)

=

9ij

(8-44)

(это следует из равенства (щ , e j)

=

Л ( щ , e j) и из ф орм улы

(8.42);

впрочем, ф орм улу (8.44) легко получить и непосредственно из (8.43)).

Рассм отрим теперь, н аряду с базисом

e i, в 2 , ... , е п , взаим ны й ба­

зис е 1, е 2, . .. , е п . П усть х = адег и у =

y je 3 — разлож ен и я векторов

х и у по векторам взаимного базиса. Тогда д л я скалярного произведе­

ния (х,

у) получим следую щ ую ф орм улу:

 

 

 

 

 

(х,

у)

= Т ( х , у) =

A

{ x i e

l ,

y j e 3 )

= А ( е г , e 3 )

x i y

j .

 

О бозначая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9ij

=

А ( е \

е 3),

 

 

(8.45)

получим следую щ ее вы раж ение д л я

(х, у):

 

 

 

 

 

 

 

(х,

у ) =

g^Xiyj.

 

 

(8.46)

К а к

и в

и. 2

преды дущ его

п ар а гр аф а

(см. прим ер

3),

легко

убе­

диться,

что

д гз

представляю т

собой координаты тензора

типа (0

, 2 ),

сим м етричного по индексам i

и j . Э тот тензор типа (0, 2

) такж е н азы ­

вается м ет р и ческ и м т ензором п ространства Е п .

М ы будем обозначать его тем ж е символом G, что и введенны й вы ­

ше м етрический тензор типа (2 , 0 ): в следую щ ем пункте мы вы ясним ,

что координаты и д гз м ож но рассм атри вать как ковариантны е и

кон травариантны е координаты одного и того ж е тензора. В дальн ей ­

ш ем эти координаты g i j и д гз мы так и будем н азы вать ковариантны м и и контравариантны м и координатам и тензора G.

В конце п. 2 § 1 этой главы , исследуя вопрос о построении взаим ны х

базисов, мы ввели величины и д гз по ф орм улам (8.10). С равнивая

эти

ф орм улы с ф орм улам и (8.42) и (8.45), мы приходим к выводу, что

эти

величины представляю т собой ковариантны е и контравариантны е

264

ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ

 

координаты

метрического тензора G. В этом ж е и. 2 § 1 мы доказа­

ли, что м атрицы , элементами которы х являю тся координаты gij

и д гз,

взаим но обратны е. Это означает, что справедливо соотнош ение

 

 

9 ij9jk = Si-

(8.47)

Таким образом, координаты дгз тензора G м огут бы ть построены по координатам и наоборот (для этого надо обратиться к известному способу построения элементов обратной м атрицы ).

2. О перация п однятия

и

опускания индексов

с пом ощ ью

м етрического

тен зор а . М етрический тензор G используется

дл я

операции поднят ия и опускания

индексов у координат

данного

тен­

зора А .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Э та операция заклю чается в следую щ ем.

 

 

 

П усть А — тензор

типа (р, q)

с координатам и A k^

"

' kq. Д л я при ­

м ера покаж ем , каким

образом проводится операция поднятия индек­

са i\. С вернем тензоры G

и А

по верхнему индексу j у первого тензора

и по ниж нем у индексу

i\ у

второго тензора, т. е. построим тензор

с координатам и

g liXA ai2

 

и у координат полученного тензора ин-

деке i обозначим через i\. Затем

эти координаты обозначим сим вола­

ми A ^ ^ x\^ " 'kq. Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

*i\k\k,2---kq

_

Цск

*k\k2---kq

 

/|о\

 

A i2...ip

 

~

9

A ai2...ip '

 

(8 *4 8 )

З а м е ч а н и е

1 . Т ак

как

порядок

располож ения

индексов у

ко­

ординат тензора определяет

«нумерацию » его координат, то, вообщ е

говоря, при поднятии

индекса нуж но

отм ечать место

среди верхних

индексов, на которое будет поднят данны й ниж ний индекс. И ногда в ряду ниж них индексов нуж но отм етить место подним аемого ниж него

индекса. Это делается

с помощ ью точки, которая

ставится на

место

поднятого индекса. П оэтому координаты тензора в левой части

(8.48)

следовало бы записать

следую щ им образом:

- ^

 

К примеру, если первы й ниж ний индекс подним ается на второе ме­ сто среди верхних индексов, то в результате мы получим тензор с ко-

л к1г1к2...кд

ординатами A i2

л

q.

З а м е ч а н и е

2

. О перация опускания индекса с помощ ью м етри ­

ческого тензора

G определяется аналогично. Н априм ер, координаты

тензора, полученного путем опускания у тензора А индекса k q на по­ следнее место в ряду ниж них индексов, имею т следую щ ий вид:

Л к 1 — k q — 1 — k q — \ OL

^ii.-.ipkq ~ 9kqOt^i1...ip

§ 3. ОПЕРАЦИИ В ТЕНЗОРНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЯХ

265

З а м е ч а н и е 3. О перацию поднятия или опускания индекса м ож ­

но прим енять несколько раз, причем каж ды й раз по отнош ению к р аз ­ личны м индексам данного тензора.

Рассм отрим прим еры поднятия и опускания индексов у тензоров.

П усть х — вектор, ад и х г — соответственно его ковариантны е и контравари ан тн ы е координаты (напомним, что вектор представляет собой

тензор ранга 1 ).

 

 

 

 

 

П однимем у координат ад индекс i

с помощ ью метрического тен­

зора G. В результате получим тензор

с координатам и д гах а . Т ак как

Ха =

(х, e j , то

giax a

= g ia (x, е а )

=

(х,

giae a ). Согласно (8.11)

д гае а

= е г, а (х,

е г) =

х г. П оэтому д гах а

=

х г.

Таким образом, кон травариантны е координаты х г вектора х м ож но получить как результат операции поднятия индекса у ковариантны х координат ад этого вектора.

К овариантны е координаты ад м огут бы ть получены как результат операции опускания индекса у кон травари ан тн ы х координат х г.

В ы ясним результат двукратн ого прим енения операции поднятия индекса у ковариантны х координат gij метрического тензора G с по­

мощ ью кон травари ан тн ы х координат дгз этого ж е тензора. И ны ми сло­ вами, вы ясним , что представляет собой тензор с координатам и

 

 

g iagJl3 gap-

(8.49)

И спользуя

сим метрию

тензора G по ниж ним индексам

и соотно­

ш ение (8.47),

найдем д3^ д а (3

д ^ д р а = 53а . П одставляя

найденное

вы раж ение д л я д3^ да (3 в

(8.49)

и используя свойства сим вола К роне-

кера S3a , получим

= д ц ■

Соверш енно аналогично мож но убедиться в справедливости равенства

giagjpg ^ — gij-

П оследние две ф орм улы еще раз подчеркиваю т, что gij и дгз есте­ ственно рассм атри вать как ковариантны е и кон травариантны е коор­

ди н аты метрического тензора G.

 

 

3. О ртонорм ированны е базисы в Е п . М ы

уж е вы яснили, что

скалярное произведение (х, у) в Е п м ож ет бы ть

задано с помощ ью

м етрического тензора G, координаты gij

которого представляю т собой

элем енты сим м етричной полож ительно

определенной м атрицы (gij).

И менно, согласно (8.43),

 

 

(х, у) = gijX ly 3.

266

ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ

И звестно, что с помощ ью преобразования базиса м атрицу билиней­ ной ф орм ы д ц х 1уЭ мож но привести к диагональном у виду. П ри этом, в силу полож ительной определенности м атрицы , после приведения м ат­ рицы (gij) к диагональном у виду координаты метрического тензора будут равны нулю при i ф j и единице при i — j . О бозначая эти координаты преж ним символом д ц , получим :

 

0

при i ф j ,

 

9 i j —

(8.50)

 

1

при i — j .

Б ази с щ , в котором координаты дц метрического тензора удовле­

творяю т условию

(8.50), явл яется ортонорм ированны м . Д ей стви тель­

но, так как (щ , еД

= дц (см. (8.44)), то, согласно (8.50),

 

0

при i ф j ,

 

1

при i = j ,

а это и означает, что щ — ортонорм ированны й базис.

В гл. 4 мы вы яснили, что в ортонорм ированием базисе скалярное

произведение (х, у) векторов х и у с координатам и х г и у 3 м ож ет бы ть вы числено по ф орм уле

п

(x,y) =

5 > V ,

(8-51)

 

2 = 1

 

а к вад р ат длины (х, х) вектора х — по ф орм уле

 

 

п

 

(х, х) =

 

(8.52)

О братим ся к так назы ваем ы м

орт огональны м ли н ей н ы м

преобра­

зо ван иям ., т. е. к таким линейны м преобразованиям , при которы х орто­ норм ированны й базис переходит в ортонорм ированны й . И ны ми слова­ ми, если L — ортогональное преобразование и щ — ортонорм ированны й

базис, то L e i

такж е образует ортонорм ированны й базис.

И сследуем

действие преобразования L на произвольны й век­

тор х = x le i . О бозначим через X результат действия L на х :

X= L x .

Используя свойство линейности L, найдем

X = Ьх*ег = x iL ei.

 

§ 3. ОПЕРАЦИИ В ТЕНЗОРНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЯХ

267

Т ак

как Le^ — базис, то из последнего соотнош ения вы текает,

что

вектор

X имеет в базисе Le^ такие ж е координаты ,

как и вектор х

в базисе щ , т. е. при ортогональном преобразовании

сохраняю т

свое

значение координаты вектора.

 

 

П оскольку L e i — ортонорм ированны й базис, то скалярное произве­

дение

(X, Y ) векторов X

= L x

и Y

= L y м ож ет

бы ть найдено по

ф орм уле (8.51),

а к вад р ат

длины

(X , X ) вектора X

=

L x — по ф о р ­

муле (8.52). М ы

вы яснили,

что при ортогональны х преобразованиях

сохраняю т свое значение координаты

векторов. О тсю да и из соотно­

ш ений

(8.51) и (8.52) получаем

 

 

 

 

 

 

(X,

Y ) =

(х, у),

(X, X ) = (х, х).

 

 

Таким

образом,

при

орт огональны х

преобразованиях

не м ен яю т ся

длины

вект оров и и х скалярны е произведения.

 

 

К а к известно, ортогональны е преобразования L м огут бы ть задан ы

с помощ ью ортогональной м атрицы . О пределитель det L такой м атри ­

цы удовлетворяет условию det L = =Ь 1.

 

 

В ы берем один из

ортонорм ированны х базисов

и

договорим ся

н азы вать

этот базис

правым. В этом случае будем

говорить, что

евклидово

пространство Е п ориент ировано. Все базисы

в Е п , полу­

чаю щ иеся из данного ортогональны м и преобразованиям и с определи ­

телем, равны м + 1 , назовем правы м и , а все базисы , которы е получа­

ю тся из данного ортогональны м и преобразованиям и с определителем , равны м — 1 , — левы м и . Л егко убедиться, что преобразование правого

базиса в правы й характеризуется равенством + 1

определителя преоб­

разования, а левого в левы й — равенством

1 этого определителя.

О бозначим

через

О (п ) — м нож ество

всех

ортогональны х пре­

образований

в Е п ,

а через 0 + (п) — м нож ество ортогональны х

преобразований п равы х базисов.

Эти м нож ества будут рассм отрены в следую щ ей главе.

З а м е ч а н и е . В дальнейш ем мы будем н азы вать произвольны й ба­ зис e i, в 2 , ... , е п правы м (левы м ), если определитель м атрицы пере­

хода от вы бранного ортонорм ированного базиса к базису e i, в 2 , ... , е п

полож ителен (отри ц ателен ).

 

 

4.

Д и скрим инантны й

тен зор . Рассм отрим

так назы ваем ы й

вполне

кососим м ет рический

т ензор е ^ 2..лр типа

(р, 0 ), т. е. такой

тензор, которы й кососим м етричен по лю бы м двум ниж ним индексам . Д л я того чтобы этот тензор не бы л нулевы м, необходимо, чтобы число р не превы ш ало п, т. е. удовлетворяло условию р ^ п, ибо, если

р > п, то лю бая координата будет иметь по м еньш ей мере д в а одинако­ вы х индекса, при перестановке которы х эта координата одновременно д о л ж н а и изм енить знак, и остаться неизменной. Это м ож ет бы ть лиш ь

268 ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ

в том случае, когда у казан н ая координата р авн а нулю . С ледовательно, при р > п лю бая координата тензора равн а нулю, т. е. тензор является нулевым .

О собый интерес представляет вполне кососим м етрический тензор,

ранг р которого равен разм ерности п пространства.

Л ю бая координата £ ^ ^ ..л п такого тензора м ож ет бы ть найдена по

ф орм уле

 

 

 

 

 

 

О,

 

если среди индексов Л ,

«2 , . . гп

= <

 

 

хотя бы д в а совпадаю т,

 

 

( _ l ) slgnаS \2 ...nч

если все индексы различны .

 

 

 

 

 

(8.53)

В ф орм уле

(8.53) signer

равно

0 или + 1 в зависим ости от четно­

сти или нечетности перестановки а

(Л , «2 , . .. , i n ) (signer назы ваю т

такж е знаком этой перестановки).

 

 

Рассм отрим

какую -либо

правую

ортонорм ированную

систему ко­

ординат и полож им в ней

 

 

 

 

 

 

£1 2 . ..п

1-

(8.54)

С помощ ью соотнош ения (8.53) в данной системе координат определя­

ю тся все координаты £%хг^..лп

вполне кососим м етрического тензора, а

следовательно и сам тензор, которы й в дальнейш ем

мы

будем

н азы ­

вать д искрим инант ны м

т ензором . К оординаты этого тензора в про­

извольном

базисе e i, в 2 , ... ,

е п обозначим через

 

 

 

 

 

О бозначим символом

В

м атрицу

перехода от вы бранного

право ­

го ортонорм ированного базиса к некотором у базису е ^ ,

е у , ... ,

е п/, а

через Ь\, — элем енты этой м атрицы .

 

 

 

 

 

 

 

Согласно (8.53) д л я вы числения координат

г> ^

дискрим инант­

ного тензора в базисе е ^ , в 2 ',

... ,

е п/ достаточно зн ать значение коор­

ди н аты Ci/2 '...n'-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И спользуя

ф орм улу

(8.19)

преобразования

координат тензора и

соотнош ение

(8.54), получим,

переходя от вы бранного

ортонорм иро­

ванного базиса к базису

е ^ ,

е у ,

... ,

е п/,

 

 

 

 

 

 

Cl'2 '...n' =

b\)b^,

. . .b ^,£ h h ...in

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

ei2...n

Z

 

 

( - l ) signCT« .

. . ^

 

=

 

 

 

 

 

(T = (n Л2, ..,in)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

det(b^/)

=

det B .

(8.55)

П усть

g#j> — координаты

метрического

тензора

 

в

базисе ei/,

е 2 ', . .. , е п/. Т ак

как м атри ц а

G

=

(Щ 'д) есть

м атри ц а

билинейной

 

 

§ 3. ОПЕРАЦИИ В ТЕНЗОРНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЯХ

 

 

269

ф орм ы g i'j'X 1 y i

, представляю щ ей собой скалярное произведение век­

торов

х и

у

с

координатам и

х г

и y i ,

то при переходе от

данно ­

го ортонорм ированного

базиса (в котором

м атри ц а Е

рассм атри вае­

мой билинейной ф орм ы явл яется единичной)

к базису е й , в 2 ',

... ,

е п/

справедлива

ф орм ула G

=

 

В 1Е В .

О тсю да

следует,

что det G

=

= det

В 1 det

i^ d e t В

=

(det В ) 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О бозначая det G

через

д ,

получим

из

последнего

соотнош ения

det В

=

у/д.

О бращ аясь

к

соотнош ениям (8.55), мы

получим ,

что

Су2'...п' —

у/д. Таким

образом, в произвольном базисе e i, в 2

, ... ,

е п

вы раж ение

д л я

координаты

Ci2 ...n

дискрим инантного

тензора

имеет

вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С1 2 ...П

=

±л/#>

 

 

 

 

(8.56)

где g — определитель

м атрицы

(gij)

метрического тензора

в

бази ­

се e i ,

в 2 ,

.•• 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О тметим,

что в ф орм уле

(8.56)

зн ак

плю с

соответствует правом у

базису, а зн ак минус — левому.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

О р и е н т и р о в а н н ы й

о б ъ е м . Введем в ориентированном евкли ­

довом

пространстве Е п так назы ваем ую

аф ф инную сист ем у

коорди­

нат ., определив ее как совокупность

ф иксированной точки

О

с

ко­

ординатами

(0, 0, ... ,

0)

и

базиса

e i,

в 2 , ... ,

е п . К оординаты

 

любой

точки

М

в Е п определяю тся

в этом

случае как координаты

в бази ­

се e i,

е 2, ... ,

е п вектора

О М .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассм отрим в Е п занум ерованную систему из п векторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

... ,

п

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х, х,

х

 

 

 

 

 

(8.57)

и рассм отрим

всевозм ож ны е

векторы

О М ,

определяем ы е

соотно­

ш ениями

 

 

 

____

 

 

1

 

2

 

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О М

=

ац х

+

<л2х

+ . ..

+

а пх,

 

 

(8.58)

при всевозм ож ны х сц, удовлетворяю щ их неравенствам 0

^ сц ^

1 , г —

= 1 , 2

, ... , п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М нож ество всех точек

М

п ространства Е п , определяемое соотно­

ш ениями

(8.58),

образует

так

назы ваем ы й

п -м ерны й параллелепипед

в Е п , н атянуты й на векторы (8.57).

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

этого п араллелепипеда

О риент ированны м объемом V (х, х, ... ,

х)

назы вается число

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У (х, х, ... , х)

 

 

 

 

1

2

п

 

 

(8.59)

 

 

 

 

 

=

Ci1 i2 '"inx l l x 12 .. . x ln .

 

 

П ри этом

 

сцг2 ...гп — координаты

дискрим инантного тензора

в

бази-

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

се e i, в 2 , ... , е п , а х п , х 12, ... , х 1п — кон травариантны е координаты

270

 

ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ

12

п

.

векторов х, х, . .

х

в этом ж е оазисе.

Термин «ориентированны й объем» объясняется тем, что в случае,

если векторы (8.57) образую т правы й базис, ориентированны й объем

полож ителен (V

> 0 ), а в случае левого базиса — отрицателен (V < 0 ).

О тметим,

что

при п

= 3 ориентированны й объем, вы числяем ы й

д л я п = 3

по ф орм уле

(8.59), представляет

собой обы чны й объем

 

 

 

12

3

параллелепипеда, натянутого на векторы х, х,

х, взяты й со знаком + ,

 

12

3

 

 

если тройка х, х,

х п равая, и со знаком —, если эта тройка левая.

6. В ек тор н ое п р ои зв еден и е. С помощ ью дискрим инантного тен­ зора мож но записать в трехмерном пространстве Е 3 в тензорном виде

векторное произведение. Т акая запись ш ироко используется при р аз ­ личны х вы числениях в так назы ваем ы х криволинейны х координатах.

П усть Cijk — координаты дискрим инантного

тензора в данном ба­

зисе e i, в 2 , ез п ространства Е 3. П однимем у

этого тензора первы й

индекс г с помощ ью метрического тензора д1 т , т. е. рассм отрим тен­

зор Cjk . Тогда координаты

z l вектора z = [ху] (т. е. векторного про­

изведения векторов х и у)

в базисе e i, в 2 , ез

имею т вид

 

= С)кх > у к .

(8.60)

Т ак как сг^кх ^ у к представляет собой тензор типа (0, 1), то z l м ож но рассм атри вать как кон травариантны е координаты вектора. Поэтому, чтобы убедиться, что z l действительно представляю т собой коорди ­

н аты векторного произведения, достаточно обратиться к какой-либо определенной системе координат и непосредственно провести провер­ ку. Э та проверка элем ентарна д л я ортонорм ированного базиса и предо­ ставляется читателю .

С оотнош ение

(8.60) м ож ет служ ить основой д л я

введения вектор ­

ного произведения п

1 вектора в Е п .

 

 

 

 

 

 

тт

1

2

п —1

 

 

 

п — 1 вектор

 

в Е п . О пределим

П усть

X, X,

X — какие-либо

 

координаты z l векторного произведения z

=

12

 

п- 1

 

 

 

 

с помощ ью

соотнош ений

 

 

 

 

 

 

 

п —1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пг

 

Г.М гуЛ2

 

 

 

(8.61)

 

 

 

Z

=

 

in — 1

 

 

 

 

 

 

4 i i 2...in -

I х

Х

. . X

 

 

 

 

В соотнош ениях

(8.61)

ciii2z

in — координаты

 

дискрим инантно-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

п- 1

го тензора

с подняты м

первы м

индексом,

а

х 11, х 12, ... ,

х 1п ~ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

12

...,

п- 1

 

кон травариантны е координаты векторов х, х,

 

 

х .

 

7. Д в ой н ое

векторное

п р ои зв еден и е.

И з

векторной

алгебры

известна

следую щ ая

ф орм ула д л я

двойного

векторного произведе­