книги / Линейная алгебра.-1
.pdf§ 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 |
||||||
(А (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 |
/|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 |
= |
=Ь у/д. |
О бращ аясь |
к |
соотнош ениям (8.55), мы |
получим , |
что |
|||||||||||||
Су2'...п' — |
=Ь 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 |