книги / Линейная алгебра.-1
.pdf4. |
МЕТРИЧЕСКИЙ ТЕНЗОР |
271 |
||
ния [a[bd]] векторов а, b и d |
|
|
|
|
[a[bd]] = |
b(ad) — d(ab). |
(8.62) |
||
И спользуя соотнош ение |
(8.60) и ф орм улу |
(8.43) д л я скалярного про |
||
изведения векторов, перепиш ем |
(8.62) следую щ им образом: |
|
||
dklakcim nbm d n = |
Ь*дыак<* - |
<?дк1акЪ1. |
(8.63) |
С помощ ью (8.63) мы получим ф орм улу, связы ваю щ ую тензоры сы
и gik, которую в свою очередь используем д л я записи координат двой
ного векторного произведения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
П роведем следую щ ие преобразования в ф орм уле |
(8.63). В первом |
|||||||||||||
слагаемом Ьгды акс1 |
в |
правой части |
(8.63) |
заменим |
Ьг |
на |
Ьт 5гт 7) и |
||||||||
индекс сум м ирования I заменим на п. |
Во втором слагаемом в правой |
||||||||||||||
части |
(8.63) |
полож им |
dl |
— dn Sln |
и |
индекс |
сум м ирования |
I заменим |
|||||||
на т . П осле этих преобразований ф орм ула (8.63) прим ет вид |
|||||||||||||||
|
|
|
( 4 lClm n)a kbm dn = (g k n S l |
- |
gkm 6l ) a kbm dn . |
(8.64) |
|||||||||
|
Т ак |
как |
соотнош ение |
(8.64) |
справедливо |
д л я |
лю бы х векторов |
||||||||
а, |
b |
и d, |
то оно |
представляет |
собой |
тож дество |
относительно |
||||||||
координат ак , Ъш и dn этих векторов, |
и |
поэтому д л я |
лю бы х индек |
||||||||||||
сов г, к , ш , п имеет место равенство |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
4 г ст п = 9кп$т |
- |
д/апК - |
|
|
(8-65) |
|||||
О бозначим |
через |
z l |
координаты |
|
двойного |
векторного |
произведе |
||||||||
ния |
[a[bd]]. |
Тогда, |
согласно (8.63), |
z 1 |
— |
clklclkmak brndn . О тсю да и из |
(8.65) получаем следую щ ее вы раж ение д л я координат z l двойного век торного произведения М М ] :
|
4 = (gknSin - 9kmbh)akbmdn. |
(8.66) |
Ф орм ула (8 .6 6 ) удобна д л я разли чн ы х прилож ений. |
|
|
§ 4. |
М етри ческ и й тен зор п сев доевк л и дов а пространства |
|
1. |
П онятие п сев доевк л и дов а пространства |
и м етри ческ о |
го тен зор а п сев доевк л и дов а пространства. Рассм отрим п-мерное
7) Соотношение Ьг = ЪгпЬ\п следует из свойств символа Кронекера.
272 |
ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ |
|
линейное пространство |
L, в котором зад ан а невы рож денная симмет |
|
ри чн ая билинейная ф о р м а А (х, |
у), полярн ая знакоперем енной к в ад |
|
ратичной ф орм е. |
|
произведением (х, у) векторов х н у |
Будем н азы вать скалярны м |
значение А (х, у) билинейной ф орм ы . Н аим енование «скалярное про изведение» условно, поскольку в рассм атриваем ом случае не вы полня ется четвертая аксиом а скалярного произведения. И менно, в случае,
когда билинейная ф о р м а А (х, |
у) |
п олярна знакоперем енной к в ад р а |
тичной ф орм е, вы раж ение А (х, |
х) |
в зависим ости от вы бора х м ож ет |
иметь как полож ительное, так и отрицательное значение и обращ ать ся в нуль д л я ненулевы х векторов х. Все ж е мы будем пользоваться
термином «скалярное произведение», так как это общ епринято. С ф орм улируем определение псевдоевклидова пространства.
О п р едел ен и е. П севдоевклидовы м прост ранст вом н азы вается
n -мерное линейное пространство L, в котором задано скалярное произ ведение посредством невы рож денной сим м етричной билинейной ф о р мы А (х, у), полярной знакоперем енной квадрати чн ой ф орм е.
Ч исло п назы вается разм ерност ью псевдоевклидова пространства.
В ы делим в линейном |
пространстве L базис |
e i, в2, . . ., е п и обо |
|
значим через ( g i j ) |
м атрицу билинейной ф орм ы А |
(х, у) в этом базисе |
|
(напомним, что д ^ |
= А (щ, е^)). Если х г и у 3 — кон травариантны е ко |
||
ординаты векторов х н у , |
то |
|
|
|
|
А (х, У) = 9ijX ly 3. |
(8.67) |
В полной аналогии с рассуж дениям и п. 2 § 2 этой главы д оказы ва
ется, |
что gij |
представляю т |
собой |
координаты |
тензора |
G типа (2 , 0 ). |
|||||
Э тот тензор |
мы будем в дальнейш ем н азы вать |
м ет р и ческ и м |
т ензо |
||||||||
ром |
псевдоевклидова прост ранст ва. |
|
|
|
|
|
|||||
Т ак |
как скалярное |
произведение (х, у) равно А (х, |
у), |
то, |
соглас |
||||||
но (8.67), имеем: (х, у) |
= д ^ х гу ^ . |
|
|
(х, |
у) |
|
|||||
И звестно, |
что м атрицу |
{gij) билинейной ф орм ы А |
м ож но |
||||||||
привести к диагональном у |
виду. П ри этом в силу невы рож денности |
||||||||||
ф орм ы |
А (х, |
у) координаты д ^ м етрического тензора после приведе |
|||||||||
ния |
к |
диагональном у |
виду |
будут |
равны |
нулю |
при i / |
j |
и единице |
||
или |
минус единице при i |
= j . |
Ч исло р |
полож ительны х |
и |
число q |
отрицательны х диагональны х элем ентов не зависит от способа приве
дения к диагональном у |
виду, причем, в силу невы рож денности |
ф о р |
|
мы А (х, у), р + |
q = п. |
|
|
П риведенны е |
рассуж ден и я поясняю т обозначение Е™р ^ |
дл я |
n -мерного псевдоевклидова пространства.
Естественно поставить вопрос об изм ерении длин векторов в псевдоевклидовом пространстве.
4. МЕТРИЧЕСКИЙ ТЕНЗОР |
273 |
В евклидовом пространстве с м етрическим |
тензором д ц к вад р ат |
длины вектора х с координатам и х г считается |
равны м д ц х 1хК Если |
определить к вад р ат длины s 2 (х) вектора х с помощ ью соотнош ения
S2 (x) |
= QijX'x1 , |
|
(8.68) |
то, очевидно (поскольку ф о р м а |
А (х, х) знакоперем енная), что м ож |
||
но указать ненулевы е векторы |
с полож ительны м |
квад ратом |
длины , |
с отрицательны м квадратом длины и с нулевы м |
квад ратом |
длины . |
Поэтому, чтобы получить в качестве м еры длины векторов лиш ь дей ствительны е числа, обы чно за длину вектора приним аю т
(8.69)
В дальнейш ем мы будем использовать следую щ ую терминоло
гию, заим ствованную из специальной теории относительности: мы бу
дем н азы вать ненулевой вектор |
х |
врем ени п о д о б ны м , если |
д л я |
это |
|||||||||
го вектора |
а (х) > |
0 , прост ранст венн оподобн ы м , если |
а (х) |
< |
0 , и |
||||||||
и зо т р о п н ы м , если |
а (х) |
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С праведливо следую щ ее утверж дение. |
|
|
|
|
|
||||||||
М нож ест во концов |
всех врем ениподобны х (прост ранст веннопо |
||||||||||||
добных, |
изо т р о п н ы х ) вект оров, |
начала кот оры х совпадают |
с |
про |
|||||||||
и звольной |
ф иксированной т очкой М |
псевдоевклидова прост ранст ва, |
|||||||||||
образует |
конус. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Д л я |
определенности |
докаж ем |
утверж дение, р ассм атри вая |
време- |
|||||||||
ниподобные векторы . О чевидно, |
достаточно |
доказать, |
что |
если |
х — |
||||||||
времениподобны й вектор, то при |
лю бом вещ ественном |
Л |
/ |
0 |
век |
||||||||
тор Лх такж е времениподобен. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Т ак |
как |
координаты |
вектора |
Лх |
равны |
Ажг, то, согласно |
(8 .6 8 ), |
||||||
s 2 (Ах) |
= |
|
X2 s 2 (х), |
т. е. |
s g n s 2 (Ax) |
= |
s g n s 2 |
(x). О тсю да и |
из |
(8.69) |
следует, что вектор Лх будет времениподобным .
Д л я случая времениподобны х векторов утверж дение доказано. Р ас су ж д ая аналогично, убедимся в справедливости утверж д ен и я д л я слу ч а я пространственноподобны х и изотропны х векторов.
К онус времениподобны х векторов обозначается часто символом Т (от англ, tim e — врем я), а конус пространственноподобны х векторов — символом S (от англ, space — пространство).
2. Галилеевы координаты . П р еобр азов ан и я Л ор ен ц а 8) . В теории псевдоевклидовы х пространств важ ную роль играю т те систе мы координат, в которы х квадрат инт ервала (так обы чно назы ваю т
8) Гендрик-Антон Лоренц (1853-1928)—нидерландский математик.
18 В .А . И л ьи н , Э .Г. П о зн я к
274 |
ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ |
к вад р ат длины вектора s 2 (х)) имеет вид
рп
s 2 (x) = е й 2 - |
Е |
и 2- |
(8.70) |
г = 1 |
г = р+11 |
|
|
По терминологии, заим ствованной из ф изики, такие системы коор
ди н ат н азы ваю тся га ли леевы м и . |
|
||
П реобразования координат, которы е сохраняю т д л я s 2 (х) |
вы р аж е |
||
ние (8.70), н азы ваю тся преобразованиям и Лоренца. |
|
||
В следую щ ем пункте |
мы |
рассм отрим вопрос о преобразованиях |
|
Л оренца п ространства |
3^, |
назы ваем ого прост ранст вом |
М инков |
ского 9) . Это пространство представляет особый интерес д л я ф изики, ибо явл яется пространством событий специальной теории относитель ности.
О тметим, что обы чно в пространстве М инковского нум ерация ко
ординат вектора начинается с нуля. Таким |
образом , согласно (8.70), |
|
к вад р ат s 2 (х) и н тервала в пространстве |
записы вается следую |
|
щ им образом: |
|
|
s2 (x) = (ж0 ) 2 - (ж1 ) 2 - (ж2 |
) 2 - (ж3)2. |
(8.71) |
Д л я удобства в ф изике координата ж° отож дествляется с вы р аж е нием с£, где с — скорость света, a t — врем енная переменная; ж1, ж2, ж3
назы ваю тся пространственны м и переменными.
В пространстве М инковского конус Т времениподобны х векторов расп адается на две различны е связны е откры ты е компоненты Т + (ко нус будущ его) и Т ~ (конус прош лого); конус S пространственно по добны х векторов образует связное множ ество.
П оясним структуру связны х компонент Т + и Т ~ . Д л я этого обра тим ся к ф изической интерпретации вектора х с координатам и жг, i =
=0 , 1 , 2 , 3, в пространстве Зу. этот вектор характеризуется ве
личиной A t = |
ж °/с и вектором |
Д г = |
{ж1, ж2, ж3}. Таким образом, |
|||||
р ассм атри вая х как перемещ ение в |
3^, мож но считать, что это пе |
|||||||
ремещ ение характеризуется временны м |
A t и пространственны м |
Д г |
||||||
перемещ ениями. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Времениподобны е векторы х |
определяю тся условием |
s (х) |
> |
0 . В |
||||
этом случае, очевидно, \ A r \ / \ A t \ |
< с. Если при этом |
A |
t |
> 0 |
, то дл я |
|||
перемещ ения х |
получим неравенство 0 < \ A r \ / \ A t \ |
< |
с. |
Такое пере |
мещ ение х п ри н адлеж и т по определению Т + и м ож ет р ассм атри вать ся как перемещ ение м атериальной частицы «в будущее». Если A t <
9) Герман Минковский (1864-1909) —немецкий м атематик и физик.
4. МЕТРИЧЕСКИЙ ТЕНЗОР |
275 |
< 0, то перемещ ение х п ри н адлеж и т Т ~ и м ож ет рассм атри ваться как перемещ ение частицы «в прош лое» (в ф изике так интерпретируется движ ение античастиц).
О чевидно, Т + и Г " представляю т собой две связны е откры ты е ком поненты конуса Т . П роведенны е рассуж ден и я поясняю т их наим ено
в а н и я - к о н у с будущ его и конус прош лого. |
|
||
3. |
П р еобр азов ан и я Л ор ен ц а пространства |
Зу Рассм отрим |
|
в псевдоевклидовом пространстве Е у |
галилееву систему координат |
||
с базисом щ . В такой системе координат к вад р ат ин тервала s 2 (х) име |
|||
ет вид |
(8.71), а м атри ц а (gij) метрического тензора имеет вид |
/ 1 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
- 1 |
0 |
0 |
(8.72) |
0 |
0 |
- 1 |
0 |
|
^ 0 |
0 |
0 |
- 1 ) |
|
П ерейдем к новой галилеевой |
системе координат |
с базисом щ/ и |
вы ясним условия, которы м долж н ы удовлетворять коэф ф и ц и ен ты Ь\,
м атрицы В преобразования базисны х векторов. Т ак как
е* b le i (8.73)
и так как м атри ц а (Щ 'д) метрического тензора в базисе щ/ такж е име
ет вид (8.72), то, используя ф орм улы д#у — Ъ\,Ъ3-,дij преобразования координат метрического тензора, получим следую щ ую систему у р ав нений д л я определения коэф ф ициентов Ь\, м атрицы В преобразования базисны х векторов (см. (8.73); при этом индексы г и г ' пробегаю т зн а чения 0, 1, 2 , 3 (см. (8.71)):
№ ) 2 - Е Ьо'Ьо' = г
а = 1 3
° 0 ' °(3' |
Е ьо'Щ' = о, |
|
|
(8.74) |
|
ha ha |
|
|
|
||
|
OL— 1 |
|
|
|
|
ha ha |
при У |
= |
У , , в , |
1, 2, 3. |
|
при i |
ф |
/?', |
|||
|
|
С оотнош ения (8.74) мож но записать в м атричной ф орм е. Д л я этой цели рассм отрим н аряду с м атрицей В м атрицу В *, которая получает ся из В путем изм енения зн ака у элементов последних трех столбцов и последую щ его транспонирования. О чевидно, что соотнош ения (8.74)
мож но записать в следую щ ей ф орм е: |
|
В * В = J, |
(8.75) |
18:
276 ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ
где м атри ц а J определяется соотнош ением (8.72) (для сравнения напо мним, что м атри ц а С ортогональны х преобразований евклидова про
стран ства |
удовлетворяет соотнош ению |
С С |
= |
/ , |
где |
/ — единичная |
|||||
м атр и ц а). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т ак как det В* = |
— det В , a det |
J |
= |
—1, то из соотнош ения (8.75) |
|||||||
следует, что det В * В |
= |
det В* det |
В |
— — (det |
В ) 2 |
= —1, т. е. |
|||||
|
|
|
det В |
= |
± 1 . |
|
|
|
|
(8.76) |
|
О бозначим через L |
совокупност ь |
всех общ их преобразований Л о |
|||||||||
ренца прост ранст ва |
М инковского. |
И з |
этих |
общ их преобразований |
|||||||
вы делим |
те преобразования, которы е |
переводят |
каж ды й |
вектор из |
|||||||
Т + в вектор, такж е принадлеж ащ ий |
Т + . С овокупность таких преоб |
||||||||||
разований обы чно назы вается преобразованиям и |
Л оренца |
прост ран |
|||||||||
ст ва |
з) и обозначается символом 1 д . |
|
|
|
|
|
|||||
Общ ие преобразования Л оренца, д л я которы х det В |
= |
+ 1 , обра |
зую т класс L + так назы ваем ы х собст венны х преобразований Лоренца.
К ласс L _ несобст венны х преобразований Л оренца характеризуется соотнош ением det В — — 1. П римером такого преобразования м ож ет служ ить отраж ение относительно трех пространственны х осей: ж1 ' —
— _ Щ гЛ — _ ™2 |
гЛ — _ ~3 |
|||
---- |
dj ^ dj |
dj |
у dj |
dj . |
П усть В — м атри ц а произвольного несобственного преобразования Л оренца, а Р — м атри ц а только что рассм отренного отраж ения. О че видно, произведение произвольного несобственного преобразования и рассм отренного отраж ен и я будет собственны м преобразованием с м ат рицей В 1 = Р В .
Т ак как Р 2 = Р • Р = / , где / — единичная м атрица, то
в= Р 2В = Р ( Р В ) = Р В '.
Таким образом , всякое несобст венное преобразование Л оренца я в
ля е т с я произведением некот орого собст венного преобразования с
м а т рицей В ' и от раж ения с м а т рицей Р .
П ересечение множ еств L ^ и L + обозначаю т символом L+.
Н екоторы е групповы е свойства м нож еств L, 1д, L + и L+ будут рас
см отрены в следую щ ей главе. |
|
|
|
|
|
В заклю чение найдем те |
преобразования |
L+, которы е не меняю т |
|||
координат х 2 и х 3. Ясно, что это будут преобразования L+ двумерного |
|||||
псевдоевклидова подпространства с координатам и х° |
и х 1 , в котором |
||||
к вад р ат ин тервала вы числяется по ф орм уле |
(ж0 ) 2 — (ж1)2. |
||||
Запиш ем д л я рассм атриваем ого случая ф орм улы |
(8.74). П олучим |
||||
(Щ,)2 - |
ш 2 = |
1 , |
|
|
|
b0,b°v |
- |
ъ1,ъ\, |
=о, |
|
(8.77) |
(Ь?,)2 - (ъ \,)2 = - 1 .
|
4. |
МЕТРИЧЕСКИЙ ТЕНЗОР |
|
|
277 |
|||
П олагая |
Ь\,/Ь^, = |
/?, |
найдем |
из (8.77) |
следую щ ие |
вы раж ен и я |
||
д л я коэф ф и ц и ен тов^, |
м атрицы преобразования |
В базисны х векто |
||||||
ров ео, e i, в 2 |
, ез в базисны е векторы ео', е ^ , |
в 2 ', |
е ^ : |
|
|
|||
ь8 ' = =ь — |
6 Q/ = ± |
^ |
, Д = ± |
ч / Г Щ |
Т ’ |
|
||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
*4 |
= |
± |
|
|
|
|
|
|
|
|
ч / Г Щ Т ' |
В этих ф орм улах зн ак вы бирается из условия принадлеж ности пре образования Л оренца классу L+. Не вникая в детали вы числений, за пиш ем окончательны е ф орм улы преобразования координат:
|
|
ж0 — /Зх1 |
1 1 |
|
X |
|
- |
(Зх |
о/ |
|
О |
|
о/ |
|
о |
|
|
|
|||||
д |
= |
|
|
|
|
|
/у.1 |
-- |
----- |
! |
|
гу .^ |
-- |
гу .^ |
*AJ |
-- |
° |
|
(8.78) |
||||
|
|
|
|
|
Л |
|
,--------- , |
*AJ |
*AJ , |
гу*AJ . |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ч / Г Щ |
Т ’ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
П олож им в соотнош ениях |
(8.78) |
х° |
= |
с£, ж1 |
= |
ж, ж2 = |
у, |
ж3 |
= |
||||||||||||||
= 2 , ж0 |
= |
с£', |
ж1 |
= |
ж', |
ж2 |
= |
|
у', |
ж3 |
= |
z ' . Тогда |
ф орм улы |
(8.78) |
|||||||||
перепиш утся следую щ им образом: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
t |
= |
t |
- |
ё-х |
X |
= |
|
- f3ct + ж |
у' |
= |
У, |
z' |
= |
z. |
|
|
(8.79) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
В ы ясним |
теперь |
ф изический |
смысл |
константы |
/3. Д опустим, что |
||||||||||||||||||
точка Р |
неподвиж на |
в сист ем е координат (£', ж', |
у', |
Д ). Это |
озна |
||||||||||||||||||
чает, что врем я t' |
м еняется, а пространственны е координаты ж', |
у', |
z' |
||||||||||||||||||||
этой точки постоянны . И сследуем |
вопрос о поведении точки Р |
отно |
|||||||||||||||||||||
сительно системы (£, ж, у , |
z). Д и ф ф ер ен ц и р у я |
последние |
три |
у р ав |
|||||||||||||||||||
нения (8.79) |
и |
учи ты вая, |
что |
d x 1 |
— d y 1 |
= |
d z 1 |
— |
0, |
получим 0 |
= |
||||||||||||
—вс dt |
+ |
dx |
|
л |
= |
7 |
|
|
7 |
|
„ |
|
|
dx |
= |
„ |
dy |
^ |
dz |
= |
|||
Ф |
^ Т 2 |
|
О |
dy, 0 = |
dz. П оэтому |
— |
/Зс, |
— |
= |
0, |
— |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dt |
|
|
dt |
|
dt |
|
||||||
= 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С ледовательно, |
всякая |
т очка |
|
Р , |
неподвиж ная |
в сист ем е коорди |
|||||||||||||||||
нат (£', |
ж', |
у', |
z 1) (а следоват ельно , и вся эт а сист ем а координат ), |
||||||||||||||||||||
движ ет ся |
от носит ельно |
сист ем ы |
(£, |
ж, |
у, |
г) |
с пост оянной |
скоро |
|||||||||||||||
ст ью v |
= |
(Зс в направлении оси О х. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
И так, (3 |
= г?/с, где ж — скорость |
дви ж ен и я |
системы |
(£', |
ж', |
у', |
г') |
||||||||||||||||
относительно системы |
(ж, |
у, |
2 |
, £). О тм етим , что так как 0 < v < с, то |
|||||||||||||||||||
0 < (3 < |
1 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П ерепиш ем теперь следую щ им образом ф орм улы |
(8.79): |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
1 |
_ |
t |
— |
|
, ж |
= |
|
- v t - \ - |
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
(8.80) |
||||
|
|
|
|
|
|
у |
= |
у, |
z |
= |
z. |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с2
278 |
|
|
ГЛ. 8. ТЕНЗОРЫ |
|
|
Ф орм улы |
(8.80) |
представляю т |
собой ф орм улы перехода от |
инер |
|
циальной |
системы |
(£, ж, у , |
z) к другой инерциальной |
систе |
|
ме (£', ж', |
у', |
z 1 . Эти ф орм улы н азы ваю тся ф орм улам и Лоренца. |
§ 5. Т ензор м ом ента инерции
|
Рассм отрим твердое |
тело, |
закрепленное в |
точке |
О. |
П усть г = |
|||||||||
= |
О М — радиус-вектор |
точки М |
этого |
N |
тела, v — скорость точки М . |
||||||||||
|
К а к |
известно, |
момент |
им пульса |
определяется |
соотнош ени |
|||||||||
ем |
N |
= J y [rv](im , |
где |
У — объем тела, dm |
= |
p d V |
{р — плотность |
||||||||
те л а ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вектора N и |
|
|
О бозначая через |
N 1 |
кон травариантны е координаты |
||||||||||||
используя ф орм улу (8.60) д л я векторного произведения, получим |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
N* |
= |
f dklr kv l d m |
|
|
|
|
(8.81) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Jv |
|
|
|
|
|
|
|
|
(напомним, что сгы |
= |
glscski, где cski — координаты дискрим инантного |
|||||||||||||
тензора в данном базисе п ространства Е 3 , см. п. 6 |
|
§ 3 этой главы ). |
|||||||||||||
|
По |
теореме Э йлера |
сущ ествует м гновенная |
ось |
вращ ения тела. |
||||||||||
О бозначая через |
UJ |
вектор |
мгновенной |
угловой |
|
скорости, получим |
|||||||||
v |
= [ил*]. С нова обращ аясь |
к |
ф орм уле |
(8.60) |
д л я |
векторного произ |
|||||||||
ведения, найдем |
|
|
|
v l |
= |
Clpnujpr n . |
|
|
|
|
(8.82) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
П одставляя найденное вы раж ение v l |
в правую |
часть |
(8.81) и учи- |
ты вая независимость и р от переменны х интегрирования, получим сле дую щ ее вы раж ение д л я N l \
N* = [ с{с1рпг кг пи р d m |
= |
сор [ ск1 с1рпг кг п d m = сорГр . |
(8.83) |
J v |
|
J V |
|
Тензор |
|
|
|
Jp |
= |
[ cl[Clpnr kr n dm , |
(8.84) |
Jv
фигурирую щ ий в правой части соотнош ений (8.83), назы вается т ен зором м ом ент а инерции.
Преобразуем вы раж ение (8.84) д л я тензора момента инерции. Д л я
этой |
цели обратим ся к |
ф орм уле |
(8.65), По этой |
ф орм уле имеем |
4 А п |
= 9кп$1 - 9кр$п- П оэтом у |
|
|
|
|
4 = |
[ (ffknfip - |
9 kp4 )r nr k dm . |
(8.85) |
|
|
J v |
|
|
§ 5. ТЕНЗОР МОМЕНТА ИНЕРЦИИ |
279 |
Если в вы раж ении (8.85) опустить индекс i с помощ ью м етрическо го тензора, то в результате получим часто используем ую ф орм улу д л я
координат д в аж д ы ковариантного тензора момента инерции: |
|
|
Jip — / ( г ‘ dip |
Г.Г, ,) dm . |
( 8.86) |
J V |
|
|
Тензор момента инерции ш ироко используется в механике твердого тела. Д л я прим ера запиш ем с помощ ью этого тензора вы раж ение д л я кинетической энергии Т . Имеем
|
|
т = ^ [ V2 d m = ^ |
[ g i j v 'v 3 dm . |
|||
|
|
* J v |
|
* J v |
|
|
Но поскольку v l |
— српи рг п , вы раж ение д л я Т |
прим ет вид |
||||
Т |
= \ f v |
9 ii cipnc>kiujPrn d m |
= |
^ |
Pujk J v |
9 ij 4 n c3klr nr l dm . |
О тсю да, |
согласно (8.84), найдем Т |
= |
|
^ujpujk Jpp. |
Г Л А В А 9
Э Л Е М Е Н Т Ы Т Е О Р И И Г Р У П П
В этой главе будут излож ены основные понятия теории групп и
указаны некоторы е прилож ения этой теории.
В аж ность теории групп определяется м ногочисленны ми ее прило
ж ениям и в ф изике.
§ 1. П онятие группы . О сновны е свойства групп
1. Законы |
ком позиции . |
Б удем говорить, |
что |
в множ естве |
А |
|||
определен |
закон ко м п о зи ц и и , |
если задано |
от ображ ение |
Т упоря |
||||
доченны х |
пар |
элементов из Л |
в м нож ество |
А . |
П ри |
этом |
элемент |
с |
из Л, поставленны й с помощ ью отображ ения Т в соответствие элемен там а, b из Л, назы вается ком позицией этих элементов.
К ом позиция с элементов а и b обозначается символом а Т Ь :
с = аТЬ.
Д л я композиции элементов а, b м нож ества |
Л использую тся и д р у |
гие ф орм ы записи. Н аиболее употребительны м |
и являю тся аддит ивная |
ф о р м а записи с = а + b и м ультипликативная ф о р |
м а записи с = |
аЪ. |
В случае аддитивной ф орм ы записи композиции |
соответствую |
щ ий |
закон композиции обы чно назы вается сло ж ени ем , а при м ультиплика тивной ф орм е — ум нож ением . Закон композиции назы вается ассоциа т и вн ы м , если д л я лю бы х элементов а, 6 , с м нож ества Л вы полняется
соотнош ение |
= (аТЪ )Тс. |
аТ (Ъ Т с) |
|
Закон композиции назы вается |
к о м м у т а т и вн ы м , если д л я лю бой |
пары a, b G Л вы полняется соотнош ение аТЬ = ЪТа.
Э лемент е м нож ества Л назы вается нейт ральны м относительно за кона Т, если д л я лю бого элемента а м нож ества Л вы полняется соот нош ение а Т е = а.
П рим ерам и законов композиции могут служ ить обы чны е слож ение и умнож ение в множ естве вещ ественны х чисел. О ба эти закон а ком м утативны . Н ейтральны м элементом д л я слож ения явл яется нуль, дл я