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添字ではなく写像で考えるテンソル場、縮約と添字の上げ下げまで

テンソルを「添字がたくさん付いた量」と覚えると、どこまでが定義でどこからが表示なのかが見えなくなります。添字は座標を決めたあとに現れるもので、本体ではありません。

テンソルの本体は多重線型写像です。接ベクトルと余接ベクトルを何本か受けとって実数を返し、どの引数についても線型である、というだけの対象。

以下では定義から座標変換則を導き、縮約や添字の上げ下げがなぜ許されるのかを確かめ、最後に「テンソルかどうか」を判定する基準まで扱います[1]

テンソルは添字の並びではない

物理の教科書では、座標変換でこう変わる量をテンソルと呼ぶ、という定義をよく見ます。この流儀でも中身は同じですが、順序が逆さまになる。

変換則は、多重線型写像を座標で書いたときに自動的に出てくる帰結です。定義に据えると、なぜその形なのかが説明されないまま残ります。

以下では多重線型写像を定義に採り、変換則は導かれるものとして扱います。どちらの流儀でも到達点は変わりません[4]

多重線型写像としての定義

における 型テンソルとは、 個の余接ベクトルと 個の接ベクトルを引数にとる多重線型写像

のことです。多重線型とは、ほかの引数を固定したとき、残る 1 つについて線型になること。

を反変の階数、 を共変の階数といいます。合わせて が価数。

型テンソル全体は 上のベクトル空間になり、 と書きます。次元は です。

の読み方

引数の並びが型を決めます。余接ベクトルを食べる口が 個、接ベクトルを食べる口が 個。

ここで反変と共変の名前が逆に感じられることがあります。余接ベクトルを食べるほうが反変で、接ベクトルを食べるほうが共変。

名前は成分の変換のしかたから付いています。食べる相手ではなく、成分がどちらに動くかを見た呼び名[2]

例:低い型を並べて確かめる

型が小さいものを書き出すと、見慣れた対象がそろって現れます。

余接ベクトル 1 本を食べて実数を返す。二重双対の同一視で接ベクトルそのものになります。

接ベクトル 1 本を食べて実数を返す。余接ベクトル、つまり 次微分形式です。

接ベクトル 2 本を食べる双線型形式。リーマン計量がこの型に入ります。

余接ベクトル 1 本と接ベクトル 1 本を食べる。線型写像 と同一視できます。

型は引数のない写像、つまり実数そのものです。関数はいちばん低い型のテンソル場。

テンソル場は束の切断

各点 型テンソルを滑らかに配ったものがテンソル場です。テンソル束 の滑らかな切断、という言い方をします[3]

滑らかさは成分で判定します。どの座標近傍でも成分が滑らかな関数になっていればよい。

テンソル場の全体は 上の加群になります。関数を掛けても型が変わらないため。

型テンソル場はベクトル場
型テンソル場は 次微分形式
型で対称かつ正定値なものがリーマン計量
型で反対称なものが 次微分形式
型にリーマン曲率テンソルが入る

微分形式は反対称なテンソル場の言い換えです。反対称性を課したぶん、外積という余分な構造が入ります。

成分と基底

局所座標 をとると、接空間の基底は 、余接空間の基底は です。

テンソル の成分を

で定めると、 は基底のテンソル積の一次結合として書けます。多重線型性から、基底での値がぜんぶを決める。

成分は 個の実数です。 次元の 型なら 個。

例:2 次元で成分を数える

とします。 型なら成分は 個で、行列 1 つぶん。

対称という条件を課すと独立成分は 個になります。反対称なら 個だけ。

次元の 次微分形式が本質的に 個の関数で書けるのは、この数え上げから。面積形式にスカラーを掛けたものしかありません。

座標変換則

座標を から へとり替えます。基底の変換は連鎖律から出ます。

2 本のヤコビ行列は互いに逆行列です。これを成分の定義に入れれば変換則が出ます。

上の添字にはヤコビ行列が、下の添字には逆行列が掛かります[2,5]

反変と共変が逆に変換する理由

基底を大きくすれば、同じベクトルを表す成分は小さくなります。長さ の物差しを長さ にすれば、目盛りの数は半分になる。

接ベクトルの成分はこう動くので、基底と逆向きに変わります。これが反変。

余接ベクトルは基底に対して双対に定義されているので、基底と同じ向きに変わります。こちらが共変[6]

物差しの長さと目盛りの数が逆に動く、というだけの話です。反変という名前はここから来ています。

計量の成分は 型なので、逆行列が 2 回掛かります。基底を 2 倍にすれば は 4 倍。

例:極座標で計量の成分が変わる

平面のユークリッド計量は直交座標で です。成分は単位行列。

極座標へ移すと、さきに見た引き戻しの計算から

になります。成分は対角で

計量そのものは変わっていません。変わったのは基底で、 が長さ を持つようになったところ。

変換則を定義に採用する流儀

物理では、変換則を満たす成分の組をテンソルと呼ぶ流儀が主流です。この立場でも、対象は同じものになります。

多重線型写像から変換則が出ることは上で見ました。逆に変換則を満たす成分の組があれば、基底での値を指定したことになり、多重線型写像が 1 つ決まる。

2 つの定義は同値です。座標を先に置くか、あとに置くかの違い。

テンソル積

に対し、テンソル積

で定めます。引数を前半と後半に分けて、それぞれに食わせて掛ける。

型は になります。成分で見れば、単に成分どうしの積[4]

テンソル積は結合的ですが、可換ではありません。 では引数の順が違う。

例: を作る

はどちらも 型です。テンソル積は 型になる。

なので、成分は 成分だけが で残りが です。

は違うテンソルです。差をとると反対称になり、 の定数倍。

縮約

型テンソルの上の添字 1 つと下の添字 1 つを選び、同じ文字にして和をとる操作を縮約といいます。

型は に落ちます。座標に依らない操作であることは、変換則で 2 本のヤコビ行列が逆行列どうしになって消えることから[5]

上の添字どうし、下の添字どうしを縮約することはできません。計量がない限り、逆行列が現れないため。

例: 型の縮約はトレース

型テンソルは線型写像 と同じものでした。縮約すると が残ります。

これは行列のトレースです。基底をとり替えてもトレースが変わらない、という線型代数の事実が、縮約が座標に依らないことの言い換えになっている。

行列式のほうは縮約では出てきません。多重線型で反対称な形を使う別の構成が要ります。

例:リッチ曲率は縮約で出る

リーマン曲率テンソルは 型です。上の添字 1 つと下の添字 1 つを縮約すると 型が出ます。

これがリッチ曲率です。さらに計量で添字を上げてもう一度縮約すればスカラー曲率になる。

縮約の場所を変えると別のものが出ます。曲率テンソルの対称性のおかげで、実質的に意味のある縮約は 1 通りに定まる。

次元多様体上の 型テンソル場の独立な成分は何個か。

__RESULT__

価数は で、成分の数は です。対称性を課していないので、これがそのまま独立成分の数になります。

対称化と反対称化

同じ種類の添字について、入れ替えても変わらない部分と符号が変わる部分をとり出せます。

型なら が対称部分、 が反対称部分です。

と分解できます。 階のときだけは、この 2 つで全部[4]

例:2 階テンソルを分解する

とします。

対称部分は で、対角はそのまま。反対称部分は です。

対称部分は二次形式として、反対称部分は面積要素として働きます。役割の違う 2 つが 1 つのテンソルに同居している。

階以上では、対称でも反対称でもない成分が残ります。分解は 2 つでは終わりません。

計量による添字の上げ下げ

リーマン計量 とその逆行列 があると、添字を上げ下げできます。

型が から へ移ります。情報は落ちません。 なので、上げてから下げれば元に戻る[6]

計量がない多様体では、この操作は使えません。上と下を行き来する橋が計量。

例: 型を 型へ

第二基本形式 を掛けると が出ます。これが形状作用素で、線型写像として読める。

主曲率はこの 型の固有値です。 型のままでは固有値という言葉が使えません。線型写像でないと固有ベクトルが定義できないため。

添字の上げ下げは、見た目を変えるだけの操作に見えて、使える道具を変えます。

音楽的同型

計量による上げ下げには記号が付いています。ベクトルを余ベクトルへ送る と、逆向きの です[6]

と書きます。音楽記号のフラットが音を下げることと、添字を下げることを掛けた呼び名。

勾配ベクトル場は です。 は計量なしで定まりますが、勾配は計量に依存する。

テンソルかどうかを見分ける

添字が付いていればテンソル、というわけではありません。座標変換で正しく変わるかどうかが分かれ目です。

判定にはもっと使いやすい形があります。ベクトル場の組に値を返す写像が、関数倍について線型なら、その写像はテンソル場になる[1]

が任意の で成り立てばよい。テンソル判定補題と呼ばれます。

線型性が効く理由

関数倍について線型なら、 の値は各点でのベクトルの値だけで決まります。近くでの振る舞いが結果に影響しない。

証明はバンプ関数を使います。2 組のベクトル場が 1 点で一致していれば、差をバンプ関数で潰して の値が等しいことを示す。

微分が入ると、この性質が崩れます。微分は近くの値を見るので、関数を外へ出すときにライプニッツ則の余分な項が出る。

例:クリストッフェル記号はテンソルでない

つの添字を持ちますが、テンソルではありません。座標変換で余分な二階微分の項が出ます。

第 2 項が邪魔をします。テンソルなら第 1 項だけのはず。

この項があるおかげで、ある点でクリストッフェル記号を全部 にする座標がとれます。テンソルなら、1 点で なら全座標で になってしまう。

例:2 つの接続の差はテンソルになる

接続 をとり、差 を考えます。

に関数を掛けると、両方に同じ の項が出て、引き算で消えます。残るのは だけ。

したがって 型テンソル場です。個々はテンソルでなくても、差はテンソルになる。

接続の全体がアフィン空間になるのは、この事実の言い換えです。差がベクトル空間の元になる構造。

例:計量はテンソル、勾配はテンソルでない量を含む

計量 は関数倍を素通しします。 なのでテンソル。

いっぽう について線型ではありません。 となり、余分な項が出る。

方向微分がテンソルにならないことが、共変微分と接続を導入する動機になります。

双線型形式を絵で見る

型で対称かつ正定値なテンソルは、各点で内積を定めます。単位円の行き先を見ると形が分かる。

成分が動くと、長さ の点の集まりが楕円として伸び縮みします。計量が変わるとは、この楕円が変わること。

非対角成分 が入ると楕円が傾きます。座標軸が直交しなくなった、という意味。

型の地図を描く

テンソル積は型を増やし、縮約は型を減らします。 を座標に置いて並べると、演算が動く向きが見えます。

右上へ行くほど成分の数が増えます。 次元なら 個。

縮約は左下へ 1 マス動く操作です。 から へ落ちればトレース、 から へ落ちればリッチ曲率。

例:テンソル積で計量を作る

形式 からテンソル積で 型を組み立てます。

が平面の標準計量です。成分は単位行列。

係数を変えて とすれば、 方向だけ 2 倍に測る計量になります。楕円が横に潰れた形。

対称でない は計量になりません。 が破れるため。

対称テンソルと反対称テンソルの次元

次元で 型の対称テンソルの次元は です。反対称なら

では反対称テンソルが しかありません。 次元多様体に 次微分形式が存在しないのは、この数え上げから。

対称のほうは をいくら上げても になりません。多項式が何次でも作れることに対応しています。

テンソル場が使われる場面

同じ枠組みが、性格の違う量をまとめて扱います。

リーマン計量: 型、対称、正定値
第二基本形式: 型、対称
リーマン曲率テンソル:
応力テンソル: 型、対称
エネルギー運動量テンソル: 型、対称
微分形式: 型、反対称

型と対称性を指定すれば、それぞれの対象が切り出されます。テンソル場は個々の量の上位概念[3]

よくある誤り

添字が付いていればテンソルだと思う。クリストッフェル記号が反例です
成分がテンソルの本体だと思う。本体は写像で、成分は座標を決めたあとの表示
上の添字どうしを縮約する。計量がなければできません
点で成分が ならどの座標でも だと思う。それはテンソルのときだけ成り立ちます
を同じものだと思う。差は反対称形式になります
計量なしで勾配を定義しようとする。 は定まりますが、 は計量に依存します
型の縮約と行列式を混同する。縮約で出るのはトレースです

参考文献

Tensor field
Tensorfeld
张量场
Tensor on a vector space, Encyclopedia of Mathematics
Champ tensoriel
Raising and lowering indices
テンソルの本体は多重線型写像で、添字は座標を決めたあとに現れる表示です。定義から座標変換則を導き、上の添字と下の添字が逆向きに動く理由を物差しの目盛りで説明する。縮約が座標に依らないこと、計量があれば添字を上げ下げできることも確かめます。クリストッフェル記号はテンソルにならず、2 つの接続の差はテンソルになる。関数倍を素通しするかどうかが判定の基準。