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微分形式を削る内部積、流れで運ぶリー微分 - カルタンの公式でつながる

外微分は次数を 1 つ上げます。逆に 1 つ下げる操作が内部積で、ベクトル場を形式の第 1 引数に差し込むだけのもの。

もう 1 つ、次数を変えずに微分する操作があります。ベクトル場の流れに乗せて運び、変化率をとるリー微分です[2]

この 3 つは独立ではありません。カルタンの公式 が結び、内部積と外微分からリー微分が出ます。以下では順に定義し、公式の中身と使いどころまで扱います。

内部積の定義

形式 とベクトル場 に対し、 形式

で定めます[1]。第 1 引数に を固定し、残りを引数として残す。

形式に対しては と決めます。次数を下げる先がないため。

縮約とも呼ばれます。 という書き方もある。

次数を 1 つ下げる

です。 と向きが逆。

反対称性から、 もまた反対称になります。第 1 引数を固定しても、残りの引数についての反対称性は壊れない。

線型なので、 の各点での値は のその点での値だけで決まります。微分が入らないため。

内部積のライプニッツ則

は次数 の反微分です[1] 形式とすると

が成り立ちます。 と同じ形の符号規則。

が次数 の反微分、 が次数 の反微分です。次数の符号が向きに対応している。

を 2 回差し込むと、 になります。反対称なので

と形は同じですが、理由が違います。 のほうは偏微分の交換から、 のほうは形式の反対称性から[1]

例: を入れる

とします。

になります。第 1 引数に を入れて展開しただけ。

出てきた 形式は、 に対応するベクトルを 度回したものに対応します。 次元の面積形式が回転を作る、という見方。

例: 形式から 形式へ

次元で とします。

です。 が食われて消える。

が一般のベクトル場なら になります。ベクトル場を 形式に変える標準的な対応。

流れに沿って運ぶ

ベクトル場 は各点に速度を配ります。その速度に従って点を動かす写像の族が流れ

は微分同相なので、微分形式を引き戻せます。 での変化率をとったものがリー微分です[2,3]

テンソル場ならどの型でも定義できます。形式に限りません。

四角は形を変えますが、この流れでは面積が変わりません。横の伸びと縦の縮みが打ち消し合うため。

面積が変わらない流れを、面積形式のリー微分が になる流れといいます。あとで発散として読み直します。

関数のリー微分は方向微分

形式すなわち関数では、 です[3]

流れに沿って の値がどう変わるかを見ているだけ。 での値。

微分形式でも関数でも、定義は同じ 1 本の式です。型ごとに別の定義を置く必要がありません。

ベクトル場のリー微分はリー括弧

が成り立ちます。座標では

です[6] の微分だけでなく の微分も入るところが、方向微分との違い。

の微分が入るのは、比べる相手そのものを流れが動かしているためです。 を比べるのに、後者を まで引き戻す必要がある。

例:リー括弧を座標で計算する

とします。

です。したがって

になりません。 の流れが の向きを変えていることの現れ。

流れが交換しない度合いを測る

は、2 つの流れが交換するかどうかを測ります。 に沿って に沿って に沿って に沿って と動くと、出発点に戻らない[6]

ずれは に比例します。2 次の量。

なら局所的に流れが交換し、 を座標ベクトル場にとれる座標が存在します。

灰色が出発点、黒が 4 歩めの到着点です。同じだけ進んで同じだけ戻ったのに、位置がずれる。

ずれる向きが の向きです。括弧が でないとは、この四角が閉じないこと。

微分形式のリー微分

形式に対しては、引き戻しの微分として定義されます。値は次数を変えません。

は次数 の微分で、ライプニッツ則は符号なしです。

次数を変えないので、符号のずれが出ません[3]

カルタンの公式

リー微分は、外微分と内部積で書けます。

これがカルタンの公式です[1,2]。魔法の公式とも呼ばれます。

次数を数えると納得しやすくなります。 なので、どちらの順でも合計は

例:カルタンの公式を 形式で確かめる

とします。

なので です。 で、

いっぽう流れは 方向の平行移動なので、 です。合いました。

公式の証明の筋

両辺とも次数 の微分で、 と交換します。この 2 つの性質を持つ作用素は、関数と での値で決まる。

関数では左辺が 、右辺が です。 では両辺とも

したがって全体で一致します。生成元での一致から全体の一致を出す、という型の議論[5]

リー微分は と交換する

が成り立ちます。カルタンの公式に を入れれば出る。

で、 です。等しい。

のほうは と交換しません。交換しないずれがちょうど 、という読み方もできます。

のうち、微分形式の次数を変えないものはどれか。

  • だけ
  • だけ
  • だけ
  • 3 つとも変えない
__RESULT__

です。カルタンの公式で が組になって打ち消しています。

共変微分との違い

について 線型ではありません。 となり、余分な項が出る。

共変微分 について線型です。この差が、リー微分では接続が要らない理由になっています。

リー微分は多様体の構造だけで定義でき、共変微分は接続という追加の構造を要ります。使える場面と払う代償が入れ替わる。

リー微分

接続が要りません。 について 線型でなく、1 点の だけでは値が決まらない。

共変微分

接続が要ります。 について 線型で、1 点の から値が決まる。

体積形式のリー微分は発散

を体積形式とすると、 が成り立ちます[5]

カルタンの公式で なので、 です。 の外微分が発散の係数を出す。

発散を「流れによる体積の膨張率」と説明することがありますが、この式がその説明そのものになっています。

体積が増える流れと変わらない流れを、並べて描きます。

左は湧き出しがあり、右はありません。どちらも四角の形は変わりますが、面積が変わるのは左だけ。

ベクトル場から流れを作る

流れで体積形式を引き戻す

で微分して発散を得る

3 歩とも、リー微分の定義をそのままたどっただけです。発散という言葉を先に置かなくても出てくる。

例:湧き出しのある流れ

とします。原点から外向きに広がる流れ。

で、外微分は です。発散は

面積は 倍に増えます。さきに見た の流れとは対照的。

キリングベクトル場

計量 に対して となる をキリングベクトル場といいます[4]

流れが等長変換になる、という意味です。長さを変えずに動かす向き。

座標では と書けます。キリング方程式。

例:平面の等長変換

平面では、平行移動 2 本と回転 1 本の計 3 本が独立なキリングベクトル場です。

次元の平坦な空間では 本になります[4] 本の平行移動と 本の回転。

この本数が最大で、達するものを最大対称空間といいます。

例:球面の 3 本

では、3 つの座標軸まわりの回転が独立なキリングベクトル場です。 で上限に達している。

対称性が高い空間ほどキリング場が多くなります。逆に、一般の計量ではキリング場が 1 本もありません。

シュヴァルツシルト計量では 4 本あります。時間方向 1 本と、空間の回転 3 本[4]

よくある誤り

に微分が入ると思う。値は 1 点の だけで決まります
の理由を偏微分の交換だと思う。形式の反対称性から出ます
カルタンの公式の順を片方だけにする。 の両方が要ります
の微分だけで書けると思う。 の微分も入ります
について線型だと思う。線型なのは共変微分のほうです
リー微分に接続が要ると思う。多様体の構造だけで定義できます
リー括弧を単なる交換子として覚え、流れの非可換性という中身を落とす

参考文献

Interior product
Lie derivative
Lie-Ableitung
Killing vector field
Dérivée de Lie
Lie bracket of vector fields
内部積は次数を 1 つ下げ、外微分は 1 つ上げ、リー微分は変えません。3 つは独立ではなく、$L_X = d\, i_X + i_X\, d$ が結びます。リー微分は流れで引き戻して変化率をとる操作なので、関数では方向微分、ベクトル場ではリー括弧になる。括弧が測るのは、2 つの流れを行って戻ったときに出発点へ戻らないずれです。体積形式に当てれば発散が出て、計量に当てて $0$ ならキリングベクトル場。接続が要らないところが共変微分との分かれ目。