爱因斯坦求和约定
在數學裏,特別是將線性代數套用到物理時,愛因斯坦求和約定()是一種標記的約定,又稱為愛因斯坦標記法(),在處理關於坐標的方程式時非常有用。這約定是由阿爾伯特·愛因斯坦於1916年提出的[1]。後來,愛因斯坦與友人半開玩笑地說[2]:「這是數學史上的一大發現,若不信的話,可以試著返回那不使用這方法的古板日子。」
按照愛因斯坦求和約定,當一個單獨項目內有標號變數出現兩次,一次是上標,一次是下標時,則必須總和所有這單獨項目的可能值。通常而言,標號的標值為1、2、3(代表維度為三的歐幾里得空間),或0、1、2、3(代表維度為四的時空或閔可夫斯基時空)。但是,標值可以有任意值域,甚至(在某些應用案例裏)無限集合。這樣,在三維空間裏,
的意思是
- 。
請特別注意,上標並不是指數,而是標記不同坐標。例如,在直角坐標系裏,、、分別表示坐標、坐標、坐標,而不是、的平方、的立方。
簡介
- 。
通常會將這寫為求和公式形式:
- 。
在基底變換之下,純量保持不變。當基底改變時,一個向量的線性變換可以用矩陣來描述,而餘向量的線性變換則需用其逆矩陣來描述。這樣的設計為的是要保證,不論基底為何,伴隨餘向量的線性函數(即上述總和)保持不變。由於只有總和不變,而總和所涉及的每一個項目都有可能會改變,所以,愛因斯坦提出了這標記法,重複標號表示總和,不需要用到求和符號:
採用愛因斯坦標記法,餘向量都是以下標來標記,而向量都是以上標來標記。標號的位置具有特別意義。請不要將上標與指數混淆在一起,大多數涉及的方程式都是線性,不超過變數的一次方。在方程式裏,單獨項目內的標號變數最多只會出現兩次,假若多於兩次,或出現任何其它例外,則都必須特別加以說明,才不會造成含意混淆不清。
向量的表示
在線性代數裏,採用愛因斯坦標記法,可以很容易的分辨向量和餘向量(又稱為1-形式)。向量的分量是用上標來標明,例如,。給予一個維向量空間和其任意基底(可能不是標準正交基),那麼,向量表示為
- 。
餘向量的分量是用下標來標明,例如,。給予的對偶空間和其任意基底(可能不是標準正交基),那麼,餘向量表示為
- 。
採用向量的共變和反變術語,上標表示反變向量(向量)。對於基底的改變,從改變為,反變向量會變換為
- ;
其中,是改變基底後的向量的分量,是改變基底後的坐標,是原先的坐標,
下標表示共變向量(餘向量)。對於基底的改變,從改變為,共變向量會會變換為
- 。
一般運算
矩陣的第橫排,第 豎排的元素,以前標記為;現在改標記為。各種一般運算都可以用愛因斯坦標記法來表示如下:
內積
給予向量和餘向量,其向量和餘向量的內積為純量:
- 。
外積
M維向量和N維餘向量的外積是一個M×N矩陣:
- 。
採用愛因斯坦標記式,上述方程式可以表示為
由於和代表兩個不同的標號,在這案例,值域分別為M和N,外積不會除去這兩個標號,而使這兩個標號變成了新矩陣的標號。
向量的內積
一般力學及工程學會用互相標準正交基的基底向量、及來描述三維空間的向量。
- 。
把直角坐標系的基底向量、及寫成、及,所以一個向量可以寫成:
- 。
根據愛因斯坦求和约定,若單項中有標號出現兩次且分別位於上標及下標,則此項代表著所有可能值之總和:
- 。
由於基底是標準正交基,的每一個分量,所以,
- 。
兩個向量與的内积是
- 。
由於基底是標準正交基,基底向量相互正交歸一:
- ;
其中,就是克羅內克函數。當時,則,否則。
邏輯上,在方程式內的任意項目,若遇到了克羅內克函數,就可以把方程式中的標號轉為或者把標號轉為。所以,
- 。
向量的叉積
採用同樣的標準正交基、及,兩個向量與的叉積,以方程式表示為
-
- 。
注意到
- ;
其中,張量是列维-奇维塔符号,定義為
,若 、或 (偶置換) | |
,若 、或(奇置換) | |
,若 、或 |
所以,
- 。
設定,那麼,
- 。
所以,
- 。
向量的共變分量和反變分量
在歐幾里得空間裏,共變向量和反變向量之間的區分很小。這是因為能夠使用內積運算從向量求得餘向量;對於所有向量,通過下述方程式,向量唯一地確定了餘向量:
- 。
逆過來,通過上述方程式,每一個餘向量唯一地確定了向量。由於這向量與餘向量的相互辨認,我們可以提到向量的共變分量和反變分量;也就是說,它們只是同樣向量對於基底和其對偶基底的不同表現。
給予的一個基底,則必存在一個唯一的對偶基底,滿足
- ;
其中,張量是克羅內克函數。
以這兩種基底,任意向量可以寫為兩種形式
- ;
其中,是向量對於基底的反變分量,是向量對於基底的共變分量,
歐幾里得空間
在歐幾里得空間裏,使用內積運算,能夠從向量求得餘向量。給予一個可能不是標準正交基的基底,其基底向量為、、,就可以計算其對偶基底的基底向量:
- ;
其中,是基底向量、、共同形成的平行六面體的體積。
反過來計算,
- ;
其中,是基底向量、、共同形成的平行六面體的體積。
雖然與並不相互標準正交,它們相互對偶:
- 。
雖然與並不相互標準正交,它們相互對偶:
- 。
這樣,任意向量的反變分量為
- 。
類似地,共變分量為
- 。
這樣,可以表示為
- ,
或者,
- 。
綜合上述關係式,
- 。
向量的共變分量為
- ;
其中,是度規張量。
向量的反變分量為
- ;
其中,是共軛度規張量。
共變分量的標號是下標,反變分量的標號是上標。假若共變基底向量組成的基底是標準正交基,或反變基底向量組成的基底是標準正交基,則共變基底與反變基底相互等價。那麼,就沒有必要分辨共變分量和反變分量,所有的標號都可以用下標來標記。
抽象定義
思考維度為的向量空間。給予一個可能不是標準正交基的基底。那麼,在內的向量,對於這基底,其分量為、、...。以方程式表示,
- 。
在這方程式右手邊,標號在同一項目出現了兩次,一次是上標,一次是下標,因此,從等於到,這項目的每一個可能值都必須總和在一起。
愛因斯坦約定的優點是,它可以應用於從用張量積和對偶性建立的向量空間。例如,,與自己的張量積,擁有由形式為的張量組成的基底。任意在內的張量可以寫為
- 。
向量空間的對偶空間擁有基底,遵守規則
- ;
其中,是克羅內克函數。
範例
為了更明確地解釋愛因斯坦求和約定,在這裏給出幾個簡單的例子。
- 思考四維時空,標號的值是從0到3。兩個張量,經過張量縮併()運算後,變為一個純量:
- 。
- 方程式的右手邊有兩個項目:
- 。
- 由於運算結果與標號和無關,可以被其它標號隨意更換,所以,和稱為傀標號。
- 自由標號是沒有被總和的標號。自由標號應該出現於方程式的每一個項目裏,而且在每一個項目裏只出現一次。在上述方程式裏,是自由標號,每一個項目都必須有同樣的自由標號。注意到在項目裏,標號出現了兩次,一次是上標,一次是下標,所以,這項目的所有可能值都必須總和在一起。稱為求和標號。
- 思考在黎曼空間的弧線元素長度:
- 。請將這兩種標號跟自由變量和約束變量相比較。
- 進一步擴展,
-
- 。
-
- 注意到是乘以,是,而不是坐標的微小元素。當有疑慮時,可以用括號來分歧義。
參考文獻
- Einstein, Albert, , Annalen der Physik, 1916 [2006-09-03], (原始内容 (PDF)存档于2007-07-22)
- Byron, Frederick; Fuller, Robert, , Courier Dover Publications: pp. 5, 1992, ISBN 9780486671642
- Kuptsov, L.P., , Hazewinkel, Michiel (编), , Springer, 2001, ISBN 978-1-55608-010-4.
外部連結
- Rawlings, Steve, (PDF), Oxford University, 2007-02-01 [2010-05-10], (原始内容 (PDF)存档于2017-01-06)