添字の「上」と「下」をつなぐ計量テンソル - 上げ下げと縮約記法
添字が上に付くか下に付くかは飾りではありません。上は反変、下は共変で、座標を変えたときの動き方が逆になります。
その 2 つを行き来させる道具が計量テンソルです。 で下げ、 で上げる。
上げて下げれば元に戻ります。計量とその逆行列が、たがいに打ち消し合うためです。
線素が計量を決める
多様体の各点の接空間に内積を入れたものが計量テンソルです[1]。 階の対称共変テンソル場になります。
で、行列として非退化、つまり を課します[1]。
正定値なら リーマン計量、符号が混ざるなら 擬リーマン計量です[1]。
例:3 つの座標系
デカルト座標では単位行列です。。
極座標では で、対角に と が並びます[2]。
球座標なら 。対角成分は 、、[2]。
同じ空間なのに成分が違います。計量は座標のとり方に応じて姿を変え、測る長さのほうが変わりません。
アインシュタインの縮約記法
年に Einstein が導入した約束です[3]。積の中で同じ添字が 回現れたら、その添字について和をとる。
相対論では条件がもう 1 つ付きます。上と下に 回ずつ現れたときだけ和をとる[3]。
を書かないだけの話ですが、位置の上下が意味を持つようになります。上下がそろわない式は、たいてい書き間違いです。
上と下で動き方が逆になる
座標をとり替えると、基底も成分も変わります。その変わり方が 通りに分かれ、上下の添字はその区別を表しています。
基底を細かくすると、同じ矢を表す成分は大きくなります。これが反変で、上の添字を付ける。
一方、等高線の束として測る量は、基底を細かくすると値が小さくなります。こちらが共変で、下の添字を付ける。
打ち消し合うので、 のように上下を組ませた量だけが座標によらない数になります[3]。

逆計量
は非退化なので逆行列があります。その成分を上の添字で書きます[2,5]。
対角な計量なら、逆計量は各成分の逆数です。極座標なら 、。
非対角があるときは、ふつうに行列を逆にします。 次なら公式 1 本で済みます。
添字を下げる
ベクトル に計量を当てると、 形式が出ます[4]。
写像としては で、 という定め方です[4]。
デカルト座標では なので、 と が同じ数になります。上下の区別が消えて見えるのはこのためです。
添字を上げる
逆向きは逆計量で行います[2]。
こちらは で、 の逆写像です[4]。
往復すると戻ります。。
例:極座標で上げ下げする
成分が 、 のベクトルを、 の点で考えます。
、 なので、下げると次のようになる。
成分だけが 倍になりました。 の長さが で、その 乗が効いています。
上げ直すと に戻ります。
と は 数として別物 です。同じ矢の別の読み方であって、片方を書けば済むわけではありません。
デカルト座標だけを見ていると同じに見えます。曲がった座標を 1 つ通すと、値が離れます。
内積と長さと角度
内積は上下を組ませて書きます[1]。
通りとも同じ値です。片方を下げてから縮約する、と読めます。
長さは 、角度は 。
上の極座標の例で長さを出すと です。 成分の をそのまま足してはいけません。
テンソルでも同じ操作
添字が増えても、上げ下げは 1 本ずつ行います[2]。
どの添字を動かしたかを見失わないよう、位置をずらして と書きます。
計量そのものを上げ下げすると になります。計量は上下の変換そのものだからです。
縮約
上と下に同じ添字を置いて和をとる操作を縮約といいます。階数が 下がります。
行列のトレースがその例です。 は座標によらない数になります。
曲率でも使います。リッチテンソルは曲率テンソルの縮約、スカラー曲率は という形で出ます[5]。
計量を挟んだ縮約は、下げてから潰すことと同じです。
体積要素
長さだけでなく体積も計量から出ます[2]。
デカルト座標では で、いつもの体積です。座標を曲げると、その分が に集まります。
球座標なら なので 。積分でおなじみのヤコビアンと一致します。
極座標なら で 。 の がここから来ています。

符号が混ざる場合
相対論では、時間の向きだけ符号が逆になります[2]。
このミンコフスキー計量で添字を下げると、時間成分の符号が反転します。、()。
内積が負にも にもなります。 でない で が起こるのは、光の進む向きです。
正定値ではないので、長さの概念が素直に働きません。それでも上げ下げの規則はそのまま使えます[1]。
極座標で 、 のとき、 の値はどれですか。
まちがえやすい点
計量を 1 つ決める。それだけで、上の添字と下の添字が同じ量の つの顔になります。











gθθ=r2=4 なので vθ=gθθvθ=4×3=12 です。3 のままだとデカルト座標と混同しており、1.5 は逆計量を掛けた値になります。