- •Глава 8. Элементы тензорной алгебры
- •§ 1. Общее определение тензора
- •§ 2. Алгебраические операции над тензорами
- •►Докажем это утверждение для двух операций: для тензорного произведения и свертывания (для остальных оно практически очевидно).
- •Пусть в линейном пространстве наряду с базисом (8.4) задан ещё один базис
- •Таким образом, теорема доказана и для свертывания.◄
- •§ 3. Тензоры в евклидовом пространстве Взаимные базисы
- •Операции поднятия и опускания индексов
- •Тензоры в ортонормированных базисах
§ 3. Тензоры в евклидовом пространстве Взаимные базисы
Рассмотрим
теперь действительное евклидово
пространство
и выберем в нем какой-либо базис
. (8.9)
Можно показать, что в существует единственный базис
(8.10)
такой,
что
(кстати, вы это можете сделать в качестве
упражнения).
Базис (8.10) называется взаимным или сопряженным к базису (8.9).
Выберем в еще один базис
(8.11)
и построим взаимный к нему:
.
(8.12)
Каждый из векторов (8.12) можно разложить по базису (8.10). Условимся координаты векторов во взаимных базисах обозначать нижними индексами. Получаем
.
(8.13)
Обозначим
матрицу, составленную из координат
векторов базиса (8.12) в базисе (8.10). Её
естественно назвать матрицей перехода
для взаимных базисов.
Замечание. Если по-прежнему считать верхний индекс номером строки, а нижний – столбца, то оказывается, что для взаимных базисов матрица перехода пишется не по столбцам, а по строкам. Так как в тензорном исчислении все преобразования проводятся в индексной форме, а не в матричной, то это не вносит никакой путаницы в рассуждения.
Отметим, кроме того, что
,
откуда
вытекает, что
,
а значит,
.
Поэтому впредь значок ^ ни для матрицы
перехода для взаимных базисов, ни для
ее элементов мы использовать не будем.
Выберем
теперь в
произвольный вектор
и разложим его как по базису (8.10), так и
по базису (8.12):
(8.14)
и
.
(8.15)
Тогда
(8.14)
(8.16)
Сравнивая
(8.15) и 8.1(6), на основании единственности
координат вектора в данном базисе
получаем
.
Таким образом, координаты вектора во
взаимных базисах преобразуются по
ковариантному закону, в отличие от
координат вектора в обычных базисах,
которые преобразуются по закону
контравариантному. Поэтому координаты
вектора в обычных базисах называются
контравариантными, а во взаимных –
ковариантными.
Операции поднятия и опускания индексов
Вспомним,
что в действительном евклидовом
пространстве скалярное произведение
является симметричной положительно
определенной билинейной формой. Как и
всякая билинейная форма – это тензор
второй валентности, который называется
метрическим
тензором. В базисе (8.9) он задается
компонентами
,
а в базисе (8.10) – компонентами
.
Заметим, что метрический тензор является
симметричным.
Сейчас мы найдем связь между базисами (8.9) и (8.10). Каждый вектор из базиса (8.9) можно разложить по базису (8.10) и наоборот:
.
Тогда
;
.
Таким
образом,
.
Найдем
теперь связь между ковариантными и
контравариантными координатами
произвольного вектора. Из равенства
(8.14) получаем
.
Разлагая же
по базису (8.9), имеем
.
Сравнивая два последних разложения,
делаем вывод:
.
(8.17)
Аналогично получаем равенство
.
(8.18)
Равенство
(8.17) задает операцию поднятия,
а равенство (8.18) – операцию опускания
индекса
для координат вектора. В силу того, что
в евклидовом пространстве вводятся
операции поднятия и опускания индексов,
каждый индекс может занимать то верхнее,
то нижнее положение. Поэтому в евклидовом
пространстве у компонент тензоров
индексы один под другим не пишутся
(например, у тензора
первые два индекса – верхние, а последние
два – нижние).
Операции
поднятия и опускания индексов для
тензоров произвольного типа определяются
так же, как и для векторов. Например, у
тензора
опустим второй индекс и поднимем
четвертый:
;
у
тензора
опустим два первых индекса, а последний
поднимем:
.
