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

4.

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

0 ) 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