共变和反变
数学术语
数学里,反变(contravariant)和共变(covariant)描述一个向量(或更广义来说,张量)的坐标,在向量空间基底/坐标系转换之下,会如何改变。
转换方式
向量:反变转换
(注:不代表平方,而是代表坐标,在较基础的数学上,常写作,但是,在张量分析领域,指标写作上标或下标牵涉到对张量性质的提示,以及爱因斯坦求和约定。)
V有另一个基底,对应这个基底,有分量。对于1...n之间其中一个特定的整数,我们知道和的关系:
使用爱因斯坦求和约定可写成:
余向量:共变转换
对于V的基底,有属于V*(V的对偶空间)的对偶基底。
对于...之间其中一个特定的整数,我们知道和的关系:
使用爱因斯坦求和约定写成:
反变分量
欧几里得空间里,共变向量和反变向量之间的区分很小。这是因为能够使用内积运算从向量求得余向量;对于所有余向量,通过下述方程式,向量和线性泛函,唯一地确定了余向量:
逆过来,通过上述方程式,线性泛函和每一个余向量,唯一地确定了向量。由于这向量与余向量的相互辨认,我们可以提到向量的共变分量和反变分量;也就是说,它们只是同样向量对于基底和其对偶基底的不同表现。
给予的一个基底,则必存在一个唯一的对偶基底,满足
其中,是克罗内克函数
以这两种基底,任意向量可以写为两种形式
其中,是向量对于基底的反变分量,是向量对于基底的共变分量,
欧几里得空间
将向量投影于坐标轴,可以求得其反变分量;将向量投影于坐标曲面的法线,可以求得其共变分量。
欧几里得空间R里,使用内积运算,能够从向量求得余向量。给予一组可能不是标准正交基的基底,其基底向量为、、,就可以计算其对偶基底的基底向量:
其中,是三个基底向量、、所形成的平行六面体的体积。
反过来计算,
其中,是三个基底向量、、所形成的平行六面体的体积 。
虽然与并不相互标准正交,它们相互对偶:
这样,任意向量的反变坐标为
类似地,共变坐标为
这样,可以表达为
或者,
综合上述关系式,
向量的共变坐标为
其中,是度规张量
向量的反变坐标为
其中,是共轭度规张量。
共变坐标的标号是下标,反变坐标的标号是上标。假若共变基底向量组成的基底是标准正交基,或反变基底向量组成的基底是标准正交基,则共变基底与反变基底相互等价。那么,就没有必要分辨共变坐标和反变坐标,所有的标号都可以用下标来标记。
应用
根据相对性原理,一条物理定律在不同的系统,都应该有相同的“形式”。
狭义相对论讨论的是闵可夫斯基空间,它是一种平直空间。
参考资料
最新修订时间:2024-05-21 16:50
目录
概述
转换方式
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