Ковариация и контравариантность векторов - Covariance and contravariance of vectors

Об использовании «ковариации» в контексте специальной теории относительности см. Ковариация Лоренца. О других значениях терминов «ковариантный» или «контравариантный» см. ковариация и контравариантность (значения).

А   вектор, v, представленные в виде

касательная база

  е₁, е₂, е₃ к   координатные кривые (оставили),

двойной базис, ковекторный базис или взаимный базис

  е¹, е², е³ к   координатные поверхности (верно),

в 3-й Общее криволинейные координаты (q¹, q², q³), а кортеж чисел, чтобы определить точку в позиционное пространство. Обратите внимание, что базис и кобазис совпадают только тогда, когда базис ортогональный.^[1]

В полилинейная алгебра и тензорный анализ, ковариация и контравариантность описывать, как количественное описание определенных геометрических или физических объектов изменяется с изменение основы.

В физике под базисом иногда понимают набор опорных осей. Изменение масштаба на исходных осях соответствует изменению единиц в задаче. Например, изменив масштаб с метров на сантиметры (то есть разделение масштаб исходных осей на 100), составляющие измеряемой скорость вектор находятся умноженный на 100. Векторы демонстрируют изменение масштаба обратно к изменениям масштаба к опорным осям и, следовательно, называются контравариантный. В результате векторы часто имеют единицы расстояния или расстояния с другими единицами (например, скорость имеет единицы расстояния, деленные на время).

В отличие, ковекторы (также называемый двойные векторы) обычно имеют единицы, обратные расстоянию или обратные расстоянию с другими единицами. Примером ковектора является градиент, который имеет единицы пространственного производная, или расстояние⁻¹. Компоненты ковекторов изменяются в так же как изменения масштаба опорных осей и, следовательно, называются ковариантный.

Третья концепция, связанная с ковариацией и контравариантностью: инвариантность. Пример физического наблюдаемый которое не меняется при изменении масштаба на исходных осях, является масса частицы, у которой есть единицы массы (то есть не единицы расстояния). Сингл, скаляр значение массы не зависит от изменений масштаба исходных осей и, следовательно, называется инвариантный.

Под более общими изменениями в базе:

• Контравариантный вектор или касательный вектор (часто сокращенно просто вектор, например вектор направления или вектор скорости) имеет компоненты, которые противоречить со сменой основы для компенсации. То есть матрица, преобразующая компоненты вектора, должна быть обратной по отношению к матрице, преобразующей базисные векторы. Компоненты векторов (в отличие от ковекторов) называются контравариантный. Примеры векторов с контравариантные компоненты включать положение объекта относительно наблюдателя или любую производную положения относительно времени, включая скорость, ускорение, и придурок. В Обозначения Эйнштейна, контравариантные компоненты обозначаются верхние индексы как в

  ${\displaystyle \mathbf {v} =v^{i}\mathbf {e} _{i}.}$

• Ковариантный вектор или котангенс вектор (часто сокращенно ковектор) имеет компоненты, которые совмещать со сменой основы. То есть компоненты должны быть преобразованы той же матрицей, что и изменение базовой матрицы. Компоненты ковекторов (в отличие от компонентов векторов) называются ковариантный. Примеры ковариантных векторов обычно появляются при взятии градиент функции. В Обозначения Эйнштейна, ковариантные компоненты обозначаются более низкие показатели как в

  ${\displaystyle \mathbf {e} _{i}(\mathbf {v} )=v_{i}.}$

Криволинейные системы координат, такие как цилиндрические или сферические координаты, часто используются в физических и геометрических задачах. С любой системой координат связан естественный выбор базиса координат для векторов, базирующихся в каждой точке пространства, а ковариация и контравариантность особенно важны для понимания того, как описание координат вектора изменяется при переходе от одной системы координат к другой.

Условия ковариантный и контравариантный были представлены Джеймс Джозеф Сильвестр в 1851 г.^[2][3] в контексте теории ассоциированных алгебраических форм. Тензоры объекты в полилинейная алгебра которые могут иметь аспекты как ковариации, так и контравариантности.

В лексиконе теория категорий, ковариация и контравариантность являются свойствами функторы; к сожалению, именно объекты с более низким индексом (ковекторы) обычно имеют откаты, которые контравариантны, а объекты (векторы) верхнего индекса вместо этого имеют продвигать, которые ковариантны. Этого терминологического конфликта можно избежать, назвав контравариантные функторы «кофункторами» - в соответствии с терминологией «ковекторов» и продолжив традицию трактовки векторов как концепта, а ковекторов как коконцепта.

Вступление

В физике вектор обычно возникает как результат измерения или серии измерений и представляется в виде списка (или кортеж ) чисел, таких как

${\displaystyle (v_{1},v_{2},v_{3}).}$

Цифры в списке зависят от выбора система координат. Например, если вектор представляет положение относительно наблюдателя (вектор положения ), то система координат может быть получена из системы жестких стержней или опорных осей, вдоль которых компоненты v₁, v₂, и v₃ измеряются. Чтобы вектор представлял геометрический объект, должна быть возможность описать, как он выглядит в любой другой системе координат. То есть компоненты векторов будут преобразовать определенным образом при переходе от одной системы координат к другой.

А контравариантный вектор имеет компоненты, которые "трансформируются так же, как и координаты" при изменении координат (и, следовательно, обратно пропорционально преобразованию опорных осей), в том числе вращение и дилатация. Сам вектор при этих операциях не меняется.; вместо этого компоненты вектора изменяются таким образом, что отменяет изменение пространственных осей, точно так же, как изменяются координаты. Другими словами, если опорные оси были повернуты в одном направлении, компонентное представление вектора повернулось бы точно в противоположном направлении. Точно так же, если опорные оси были растянуты в одном направлении, компоненты вектора, как и координаты, уменьшились бы точно компенсирующим образом. Математически, если система координат претерпевает преобразование, описываемое обратимая матрица M, так что вектор координат Икс преобразован в ${\displaystyle \mathbf {x} '=M\mathbf {x} }$, то контравариантный вектор v должен быть аналогичным образом преобразован через ${\displaystyle \mathbf {v} '=M\mathbf {v} }$. Это важное требование - то, что отличает контравариантный вектор от любой другой тройки физически значимых величин. Например, если v состоит из Икс-, у-, и z-компоненты скорость, тогда v - контравариантный вектор: если координаты пространства растягиваются, вращаются или скручиваются, то компоненты скорости преобразуются таким же образом. Примеры контравариантных векторов включают смещение, скорость и ускорение. С другой стороны, например, тройка, состоящая из длины, ширины и высоты прямоугольного блока, может составлять три компонента абстрактного вектор, но этот вектор не будет контравариантным, поскольку изменение координат в пространстве не изменяет длину, ширину и высоту блока: вместо этого они скаляры.

Напротив, ковариантный вектор имеет компоненты, которые изменяются противоположно координатам или, что то же самое, преобразуются, как опорные оси. Например, компоненты градиент вектор функции

${\displaystyle \nabla f={\frac {\partial f}{\partial x^{1}}}{\widehat {x}}^{1}+{\frac {\partial f}{\partial x^{2}}}{\widehat {x}}^{2}+{\frac {\partial f}{\partial x^{3}}}{\widehat {x}}^{3}}$

трансформируются, как сами опорные оси.

Определение

Ковариантные и контравариантные компоненты вектора, когда базис не ортогонален.

Общая формулировка ковариации и контравариантности относится к тому, как компоненты координатного вектора преобразуются под действием изменение основы (пассивное преобразование ). Итак, пусть V быть векторное пространство измерения п над полем скаляры S, и пусть каждый из ж = (Икс₁, ..., Икс_п) и ж′ = (Y₁, ..., Y_п) быть основа из V.^{[примечание 1]} Кроме того, пусть изменение основы из ж к ж'Быть дано

${\displaystyle \mathbf {f} \mapsto \mathbf {f} '=\left(\sum _{i}a_{1}^{i}X_{i},\dots ,\sum _{i}a_{n}^{i}X_{i}\right)=\mathbf {f} A}$

(1)

для некоторых обратимый п×п матрица А с записями ${\displaystyle a_{j}^{i}}$Здесь каждый вектор Y_j из ж′ Базис - линейная комбинация векторов Икс_я из ж основа, так что

${\displaystyle Y_{j}=\sum _{i}a_{j}^{i}X_{i}.}$

Контравариантное преобразование

Вектор ${\displaystyle v}$ в V однозначно выражается как линейная комбинация элементов ж основа как

${\displaystyle v=\sum _{i}v^{i}[\mathbf {f} ]X_{i},}$

(2)

куда v^я[ж] находятся скаляры в S известный как составные части из v в ж основание. Обозначим вектор столбца компонентов v к v[ж]:

${\displaystyle \mathbf {v} [\mathbf {f} ]={\begin{bmatrix}v^{1}[\mathbf {f} ]\\v^{2}[\mathbf {f} ]\\\vdots \\v^{n}[\mathbf {f} ]\end{bmatrix}}}$

так что (2) можно переписать в виде матричного произведения

${\displaystyle v=\mathbf {f} \,\mathbf {v} [\mathbf {f} ].}$

Вектор v также может быть выражено через ж′ Базис, так что

${\displaystyle v=\mathbf {f'} \,\mathbf {v} [\mathbf {f'} ].}$

Однако поскольку вектор v сам по себе инвариантен относительно выбора базиса,

${\displaystyle \mathbf {f} \,\mathbf {v} [\mathbf {f} ]=v=\mathbf {f'} \,\mathbf {v} [\mathbf {f'} ].}$

Инвариантность v в сочетании с отношениями (1) между ж и ж′ Означает, что

${\displaystyle \mathbf {f} \,\mathbf {v} [\mathbf {f} ]=\mathbf {f} A\,\mathbf {v} [\mathbf {f} A],}$

давая правило трансформации

${\displaystyle \mathbf {v} [\mathbf {f} A]=A^{-1}\mathbf {v} [\mathbf {f} ].}$

Что касается компонентов,

${\displaystyle v^{i}[\mathbf {f} A]=\sum _{j}{\tilde {a}}_{j}^{i}v^{j}[\mathbf {f} ]}$

где коэффициенты ${\displaystyle {\tilde {a}}_{j}^{i}}$ записи обратная матрица из А.

Поскольку компоненты вектора v преобразовать с обратный матрицы А, эти компоненты называют преобразовывать контравариантно под смену базы.

Способ А связывает две пары, изображенных на следующей неформальной диаграмме стрелкой. Переворот стрелки указывает на контравариантное изменение:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {f} &\longrightarrow \mathbf {f'} \\v[\mathbf {f} ]&\longleftarrow v[\mathbf {f'} ]\end{aligned}}}$

Ковариантное преобразование

Основная статья: Ковариантное преобразование

А линейный функционал α на V выражается однозначно через составные части (скаляры в S) в ж основа как

${\displaystyle \alpha (X_{i})=\alpha _{i}[\mathbf {f} ],\quad i=1,2,\dots ,n.}$

Эти компоненты являются действием α на основе векторов Икс_я из ж основание.

При смене основы с ж к ж′ (1) компоненты преобразуются так, что

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{i}[\mathbf {f} A]&=\alpha (Y_{i})\\&=\alpha \left(\sum _{j}a_{i}^{j}X_{j}\right)\\&=\sum _{j}a_{i}^{j}\alpha (X_{j})\\&=\sum _{j}a_{i}^{j}\alpha _{j}[\mathbf {f} ].\end{aligned}}}$

(3)

Обозначим вектор строки компонентов α к α[ж]:

${\displaystyle \mathbf {\alpha } [\mathbf {f} ]={\begin{bmatrix}\alpha _{1}[\mathbf {f} ],\alpha _{2}[\mathbf {f} ],\dots ,\alpha _{n}[\mathbf {f} ]\end{bmatrix}}}$

так что (3) можно переписать в виде матричного произведения

${\displaystyle \alpha [\mathbf {f} A]=\alpha [\mathbf {f} ]A.}$

Поскольку компоненты линейного функционала α преобразуются с матрицей А, эти компоненты называют преобразовывать ковариантно под смену базы.

Способ А связывает две пары, изображенных на следующей неформальной диаграмме стрелкой. Указывается ковариантная связь, поскольку стрелки движутся в одном направлении:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {f} &\longrightarrow \mathbf {f'} \\\alpha [\mathbf {f} ]&\longrightarrow \alpha [\mathbf {f'} ]\end{aligned}}}$

Если бы вместо этого использовалось представление вектора столбца, закон преобразования был бы транспонировать

${\displaystyle \alpha ^{\mathrm {T} }[\mathbf {f} A]=A^{\mathrm {T} }\alpha ^{\mathrm {T} }[\mathbf {f} ].}$

Координаты

Выбор основы ж в векторном пространстве V однозначно определяет набор координатных функций на V, посредством

${\displaystyle x^{i}[\mathbf {f} ](v)=v^{i}[\mathbf {f} ].}$

Координаты на V поэтому контравариантны в том смысле, что

${\displaystyle x^{i}[\mathbf {f} A]=\sum _{k=1}^{n}{\tilde {a}}_{k}^{i}x^{k}[\mathbf {f} ].}$

И наоборот, система п количество v^я которые трансформируются как координаты Икс^я на V определяет контравариантный вектор. Система п величины, которые преобразуются противоположно координатам, тогда являются ковариантным вектором.

Эта формулировка контравариантности и ковариантности часто более естественна в приложениях, в которых есть координатное пространство (a многообразие ) на которых векторы живут как касательные векторы или котангенс векторов. Учитывая локальную систему координат Икс^я на коллекторе опорными осями системы координат являются векторные поля

${\displaystyle X_{1}={\frac {\partial }{\partial x^{1}}},\dots ,X_{n}={\frac {\partial }{\partial x^{n}}}.}$

Это дает начало кадру ж = (Икс₁, ..., Икс_п) в каждой точке координатного патча.

Если у^я это другая система координат и

${\displaystyle Y_{1}={\frac {\partial }{\partial y^{1}}},\dots ,Y_{n}={\frac {\partial }{\partial y^{n}}},}$

затем рамка f ' связано с рамой ж инверсией Матрица якобиана координатного перехода:

${\displaystyle \mathbf {f} '=\mathbf {f} J^{-1},\quad J=\left({\frac {\partial y^{i}}{\partial x^{j}}}\right)_{i,j=1}^{n}.}$

Или в индексах

${\displaystyle {\frac {\partial }{\partial y^{i}}}=\sum _{j=1}^{n}{\frac {\partial x^{j}}{\partial y^{i}}}{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}.}$

Касательный вектор по определению является вектором, который представляет собой линейную комбинацию координатных частей ${\displaystyle \partial /\partial x^{i}}$. Таким образом, касательный вектор определяется как

${\displaystyle v=\sum _{i=1}^{n}v^{i}[\mathbf {f} ]X_{i}=\mathbf {f} \ \mathbf {v} [\mathbf {f} ].}$

Такой вектор контравариантен относительно смены системы отсчета. При изменении системы координат имеем

${\displaystyle \mathbf {v} \left[\mathbf {f} '\right]=\mathbf {v} \left[\mathbf {f} J^{-1}\right]=J\,\mathbf {v} [\mathbf {f} ].}$

Следовательно, компоненты касательного вектора преобразуются через

${\displaystyle v^{i}\left[\mathbf {f} '\right]=\sum _{j=1}^{n}{\frac {\partial y^{i}}{\partial x^{j}}}v^{j}[\mathbf {f} ].}$

Соответственно, система п количество v^я в зависимости от координат, которые преобразуются таким образом при переходе от одной системы координат к другой, называется контравариантным вектором.

Ковариантная и контравариантная компоненты вектора с метрикой

Контравариантные компоненты   вектора   получены от проектирование на оси координат. Ковариантные компоненты   получаются проецированием на нормальные линии к координатным гиперплоскостям.

В конечномерном векторное пространство V над полем K с симметричным билинейная форма грамм : V × V → K (которые можно назвать метрический тензор ), между ковариантными и контравариантными векторами мало различий, поскольку билинейная форма позволяет отождествлять ковекторы с векторами. То есть вектор v однозначно определяет ковектор α через

${\displaystyle \alpha (w)=g(v,w)}$

для всех векторов ш. И наоборот, каждый ковектор α определяет уникальный вектор v этим уравнением. Из-за такого отождествления векторов с ковекторами можно говорить о ковариантные компоненты или контравариантные компоненты вектора, то есть они просто представления одного и того же вектора с использованием взаимная основа.

Учитывая основу ж = (Икс₁, ..., Икс_п) из V, существует уникальная взаимная основа ж^# = (Y¹, ..., Y^п) из V определяется требованием, чтобы

${\displaystyle Y^{i}(X_{j})=\delta _{j}^{i},}$

то Дельта Кронекера. В терминах этих баз любой вектор v можно записать двумя способами:

${\displaystyle {\begin{aligned}v&=\sum _{i}v^{i}[\mathbf {f} ]X_{i}=\mathbf {f} \,\mathbf {v} [\mathbf {f} ]\\&=\sum _{i}v_{i}[\mathbf {f} ]Y^{i}=\mathbf {f} ^{\sharp }\mathbf {v} ^{\sharp }[\mathbf {f} ].\end{aligned}}}$

Компоненты v^я[ж] являются контравариантные компоненты вектора v в основе ж, а компоненты v_я[ж] являются ковариантные компоненты из v в основе ж. Терминология оправдана, поскольку при смене основы

${\displaystyle \mathbf {v} [\mathbf {f} A]=A^{-1}\mathbf {v} [\mathbf {f} ],\quad \mathbf {v} ^{\sharp }[\mathbf {f} A]=A^{T}\mathbf {v} ^{\sharp }[\mathbf {f} ].}$

Евклидова плоскость

На евклидовой плоскости скалярное произведение позволяет отождествлять векторы с ковекторами. Если ${\displaystyle \mathbf {e} _{1},\mathbf {e} _{2}}$ является базисом, то дуальный базис ${\displaystyle \mathbf {e} ^{1},\mathbf {e} ^{2}}$ удовлетворяет

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {e} ^{1}\cdot \mathbf {e} _{1}=1,&\quad \mathbf {e} ^{1}\cdot \mathbf {e} _{2}=0\\\mathbf {e} ^{2}\cdot \mathbf {e} _{1}=0,&\quad \mathbf {e} ^{2}\cdot \mathbf {e} _{2}=1.\end{aligned}}}$

Таким образом, е¹ и е₂ перпендикулярны друг другу, как и е² и е₁, а длины е¹ и е² нормализовано против е₁ и е₂, соответственно.

пример

Например,^[4] предположим, что нам дана основа е₁, е₂ состоящий из пары векторов, расположенных под углом 45 ° друг к другу, так что е₁ имеет длину 2 и е₂ имеет длину 1. Тогда дуальные базисные векторы задаются следующим образом:

• е² это результат вращения е₁ на угол 90 ° (где смысл измеряется, если предположить, что пара е₁, е₂ быть положительно ориентированным), а затем изменить масштаб так, чтобы е² ⋅ е₂ = 1 держит.
• е¹ это результат вращения е₂ на угол 90 °, а затем масштабирование так, чтобы е¹ ⋅ е₁ = 1 держит.

Применяя эти правила, находим

${\displaystyle \mathbf {e} ^{1}={\frac {1}{2}}\mathbf {e} _{1}-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\mathbf {e} _{2}}$

и

${\displaystyle \mathbf {e} ^{2}=-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\mathbf {e} _{1}+2\mathbf {e} _{2}.}$

Таким образом, изменение базисной матрицы при переходе от исходного базиса к обратному базису равно

${\displaystyle R={\begin{bmatrix}{\frac {1}{2}}&-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\-{\frac {1}{\sqrt {2}}}&2\end{bmatrix}},}$

поскольку

${\displaystyle [\mathbf {e} ^{1}\ \mathbf {e} ^{2}]=[\mathbf {e} _{1}\ \mathbf {e} _{2}]{\begin{bmatrix}{\frac {1}{2}}&-{\frac {1}{\sqrt {2}}}\\-{\frac {1}{\sqrt {2}}}&2\end{bmatrix}}.}$

Например, вектор

${\displaystyle v={\frac {3}{2}}\mathbf {e} _{1}+2\mathbf {e} _{2}}$

вектор с контравариантными компонентами

${\displaystyle v^{1}={\frac {3}{2}},\quad v^{2}=2.}$

Ковариантные компоненты получаются приравниванием двух выражений для вектора v:

${\displaystyle v=v_{1}\mathbf {e} ^{1}+v_{2}\mathbf {e} ^{2}=v^{1}\mathbf {e} _{1}+v^{2}\mathbf {e} _{2}}$

так

${\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{bmatrix}v_{1}\\v_{2}\end{bmatrix}}&=R^{-1}{\begin{bmatrix}v^{1}\\v^{2}\end{bmatrix}}\\&={\begin{bmatrix}4&{\sqrt {2}}\\{\sqrt {2}}&1\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}v^{1}\\v^{2}\end{bmatrix}}\\&={\begin{bmatrix}6+2{\sqrt {2}}\\2+{\frac {3}{\sqrt {2}}}\end{bmatrix}}\end{aligned}}.}$

Трехмерное евклидово пространство

В трехмерном Евклидово пространство, можно также явно определить дуальный базис к заданному набору базисные векторы е₁, е₂, е₃ из E₃ которые не обязательно считаются ортогональными или единичной нормой. Двойственные базисные векторы:

${\displaystyle \mathbf {e} ^{1}={\frac {\mathbf {e} _{2}\times \mathbf {e} _{3}}{\mathbf {e} _{1}\cdot (\mathbf {e} _{2}\times \mathbf {e} _{3})}};\qquad \mathbf {e} ^{2}={\frac {\mathbf {e} _{3}\times \mathbf {e} _{1}}{\mathbf {e} _{2}\cdot (\mathbf {e} _{3}\times \mathbf {e} _{1})}};\qquad \mathbf {e} ^{3}={\frac {\mathbf {e} _{1}\times \mathbf {e} _{2}}{\mathbf {e} _{3}\cdot (\mathbf {e} _{1}\times \mathbf {e} _{2})}}.}$

Даже когда е_я и е^я не ортонормированный, они по-прежнему взаимно взаимны:

${\displaystyle \mathbf {e} ^{i}\cdot \mathbf {e} _{j}=\delta _{j}^{i},}$

Тогда контравариантные компоненты любого вектора v можно получить скалярное произведение из v с двойственными базисными векторами:

${\displaystyle q^{1}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} ^{1};\qquad q^{2}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} ^{2};\qquad q^{3}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} ^{3}.}$

Точно так же ковариантные компоненты v можно получить из скалярного произведения v с базисными векторами, а именно.

${\displaystyle q_{1}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} _{1};\qquad q_{2}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} _{2};\qquad q_{3}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} _{3}.}$

потом v может быть выражено двумя (взаимными) способами, а именно.

${\displaystyle \mathbf {v} =q^{i}\mathbf {e} _{i}=q^{1}\mathbf {e} _{1}+q^{2}\mathbf {e} _{2}+q^{3}\mathbf {e} _{3}.}$

или

${\displaystyle \mathbf {v} =q_{i}\mathbf {e} ^{i}=q_{1}\mathbf {e} ^{1}+q_{2}\mathbf {e} ^{2}+q_{3}\mathbf {e} ^{3}}$

Комбинируя указанные выше соотношения, имеем

${\displaystyle \mathbf {v} =(\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} ^{i})\mathbf {e} _{i}=(\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} _{i})\mathbf {e} ^{i}}$

и мы можем конвертировать между базисом и дуальным базисом с помощью

${\displaystyle q_{i}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} _{i}=(q^{j}\mathbf {e} _{j})\cdot \mathbf {e} _{i}=(\mathbf {e} _{j}\cdot \mathbf {e} _{i})q^{j}}$

и

${\displaystyle q^{i}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} ^{i}=(q_{j}\mathbf {e} ^{j})\cdot \mathbf {e} ^{i}=(\mathbf {e} ^{j}\cdot \mathbf {e} ^{i})q_{j}.}$

Если базисные векторы ортонормированный, то они такие же, как дуальные базисные векторы. Таким образом, нет необходимости различать контравариантные компоненты и ковариантные компоненты, которые также равны.

Общие евклидовы пространства

В более общем плане в п-мерное евклидово пространство V, если базис

${\displaystyle \mathbf {e} _{1},\dots ,\mathbf {e} _{n},}$

взаимная база равна (двойные индексы суммируются),

${\displaystyle \mathbf {e} ^{i}=g^{ij}\mathbf {e} _{j}}$

где коэффициенты грамм^ij являются элементами обратной матрицы

${\displaystyle g_{ij}=\mathbf {e} _{i}\cdot \mathbf {e} _{j}.}$

Действительно, тогда мы имеем

${\displaystyle \mathbf {e} ^{i}\cdot \mathbf {e} _{k}=g^{ij}\mathbf {e} _{j}\cdot \mathbf {e} _{k}=g^{ij}g_{jk}=\delta _{k}^{i}.}$

Ковариантные и контравариантные компоненты любого вектора

${\displaystyle \mathbf {v} =q_{i}\mathbf {e} ^{i}=q^{i}\mathbf {e} _{i}\,}$

связаны, как указано выше,

${\displaystyle q_{i}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} _{i}=(q^{j}\mathbf {e} _{j})\cdot \mathbf {e} _{i}=q^{j}g_{ji}}$

и

${\displaystyle q^{i}=\mathbf {v} \cdot \mathbf {e} ^{i}=(q_{j}\mathbf {e} ^{j})\cdot \mathbf {e} ^{i}=q_{j}g^{ji}.}$

Неформальное использование

В области физика, то прилагательное ковариантный часто используется неформально как синоним инварианта. Например, Уравнение Шредингера не сохраняет письменную форму при преобразованиях координат специальная теория относительности. Таким образом, физик может сказать, что уравнение Шредингера имеет вид не ковариантный. Напротив, Уравнение Клейна – Гордона и Уравнение Дирака сохраняют свою письменную форму при этих преобразованиях координат. Таким образом, физик мог бы сказать, что эти уравнения ковариантный.

Несмотря на такое использование термина «ковариантность», точнее будет сказать, что уравнения Клейна – Гордона и Дирака инвариантны, а уравнение Шредингера не инвариантно. Кроме того, чтобы устранить двусмысленность, следует указать преобразование, с помощью которого оценивается инвариантность.

Поскольку компоненты векторов контравариантны, а компоненты ковекторов ковариантны, сами векторы часто называют контравариантными, а ковекторы - ковариантными.

Использование в тензорном анализе

Различие между ковариацией и контравариантностью особенно важно для вычислений с тензоры, которые часто имеют смешанная дисперсия. Это означает, что они имеют как ковариантные, так и контравариантные компоненты или как векторные, так и ковекторные компоненты. Валентность тензора - это количество вариантных и ковариантных членов, а в Обозначения Эйнштейна, ковариантные компоненты имеют более низкие индексы, а контравариантные компоненты - верхние индексы. Двойственность между ковариацией и контравариантностью возникает всякий раз, когда векторная или тензорная величина представлена ​​своими компонентами, хотя современные дифференциальная геометрия использует более сложные безиндексные методы для представления тензоров.

В тензорный анализ, а ковариантный вектор изменяется более или менее обратно пропорционально соответствующему контравариантному вектору. Затем выражения для длин, площадей и объемов объектов в векторном пространстве могут быть даны в терминах тензоров с ковариантными и контравариантными индексами. При простых расширениях и сжатиях координат взаимность точна; при аффинных преобразованиях компоненты вектора перемешиваются при переходе между ковариантным и контравариантным выражением.

На многообразие, а тензорное поле обычно будет иметь несколько индексов, верхний и нижний, где широко используется нотация Эйнштейна. Когда коллектор оборудован метрика, ковариантные и контравариантные индексы становятся очень тесно связаны друг с другом. Контравариантные индексы можно превратить в ковариантные индексы с помощью договор с метрическим тензором. Обратное возможно, если сжать (матрицу), обратную метрическому тензору. Отметим, что, вообще говоря, такого отношения не существует в пространствах, не наделенных метрическим тензором. Более того, с более абстрактной точки зрения, тензор просто находится «там», и его компоненты любого вида являются только вычислительными артефактами, значения которых зависят от выбранных координат.

Геометрическое объяснение состоит в том, что общий тензор будет иметь как контравариантные, так и ковариантные индексы, потому что у него есть части, которые живут в касательный пучок так же хорошо как котангенсный пучок.

Контравариантный вектор - это вектор, который преобразуется как ${\displaystyle {\frac {dx^{\mu }}{d\tau }}}$, куда ${\displaystyle x^{\mu }\!}$ координаты частицы в ее подходящее время ${\displaystyle \tau }$. Ковариантный вектор - это вектор, который преобразуется как ${\displaystyle {\frac {\partial \varphi }{\partial x^{\mu }}}}$, куда ${\displaystyle \varphi }$ является скалярным полем.

Алгебра и геометрия

В теория категорий, Существуют ковариантные функторы и контравариантные функторы. Присвоение двойное пространство в векторное пространство - стандартный пример контравариантного функтора. Некоторые конструкции полилинейная алгебра имеют "смешанную" дисперсию, что не позволяет им быть функторами.

В дифференциальная геометрия, компоненты вектора относительно базиса касательный пучок ковариантны, если они изменяются с помощью того же линейного преобразования, что и замена базиса. Они контравариантны, если изменяются обратным преобразованием. Иногда это вызывает путаницу по двум различным, но связанным причинам. Во-первых, векторы, компоненты которых ковариантны (называемые ковекторами или 1-формы ) фактически отступить гладких функций, что означает, что операция сопоставления пространства ковекторов гладкому многообразию на самом деле является контравариантный функтор. Аналогично, векторы, компоненты которых контравариантны продвигать при гладких отображениях, поэтому операция сопоставления пространства (контравариантных) векторов гладкому многообразию является ковариантный функтор. Во-вторых, в классическом подходе к дифференциальной геометрии наиболее примитивным объектом являются не основы касательного пучка, а скорее изменения в системе координат. Векторы с контравариантными компонентами трансформируются так же, как и изменения координат (потому что они фактически изменяются противоположно индуцированному изменению базиса). Точно так же векторы с ковариантными компонентами трансформируются противоположным образом при изменении координат.

Смотрите также

• Активная и пассивная трансформация
• Смешанный тензор
• Двухточечный тензор, обобщение, позволяющее индексам ссылаться на несколько векторных баз

Примечания

1. Основа ж может здесь выгодно рассматриваться как линейный изоморфизм из р^п к V. Что касается ж как вектор-строка, элементы которого являются элементами базиса, тогда соответствующий линейный изоморфизм ${\displaystyle \mathbf {x} \mapsto \mathbf {f} \mathbf {x} .}$

Цитаты

1. К. Миснер; К.С. Торн; J.A. Уиллер (1973). Гравитация. W.H. Freeman & Co. ISBN  0-7167-0344-0.
2. Сильвестр, Джеймс Джозеф. «По общей теории ассоциированных алгебраических форм». Cambridge and Dublin Math. Журнал, VI (1851): 289-293.
3. 1814-1897 гг., Сильвестр, Джеймс Джозеф (2012). Собрание математических работ Джеймса Джозефа Сильвестра. Том 3, 1870-1883 гг.. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-1107661431. OCLC  758983870.
4. Боуэн, Рэй (2008). «Введение в векторы и тензоры» (PDF). Дувр. С. 78, 79, 81.^{[постоянная мертвая ссылка ]}

Рекомендации

• Арфкен, Джордж Б.; Вебер, Ханс Дж. (2005), Математические методы для физиков (6-е изд.), Сан-Диего: Harcourt, ISBN  0-12-059876-0.
• Dodson, C. T. J .; Постон, Т. (1991), Тензорная геометрия, Тексты для выпускников по математике, 130 (2-е изд.), Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag, ISBN  978-3-540-52018-4, Г-Н  1223091.
• Greub, Вернер Гильдберт (1967), Полилинейная алгебра, Die Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften, Band 136, Springer-Verlag New York, Inc., Нью-Йорк, Г-Н  0224623.
• Штернберг, Шломо (1983), Лекции по дифференциальной геометрии, Нью-Йорк: Челси, ISBN  978-0-8284-0316-0.
• Сильвестр, Дж. Дж. (1853 г.), "К теории сизигетических отношений двух рациональных интегральных функций, включающей приложение к теории функций Штурма и наибольшей общей алгебраической меры" (PDF), Философские труды Лондонского королевского общества, Королевское общество, 143: 407–548, Дои:10.1098 / рстл.1853.0018, JSTOR  108572.

внешняя ссылка

• «Ковариантный тензор», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
• «Контравариантный тензор», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]
• Вайсштейн, Эрик В. «Ковариантный тензор». MathWorld.
• Вайсштейн, Эрик В. «Контравариантный тензор». MathWorld.
• Инвариантность, контравариантность и ковариантность
• Введение в тензорное исчисление - Киз Даллемонд и Каспер Питерс