流形中的向量(或者矢量)和向量場

2020-12-05 黑蘋果之家

流形中的向量(或者矢量)和向量場

1) 流形中的向量是線性代數中矢量空間的推廣,中間需要歐式空間過渡下,否則很抽象。所以一定要深刻理解矢量空間;

2) 向量空間沒有點的概念,但是歐式空間中,點是最基本的概念。首先建立(歐式空間中的)點和向量空間的聯繫;

3) 人們發現歐式空間中的任意一個點為基礎,各種方向和長度的直線段,滿足矢量空間的條件(俗稱線性8條件);

4) 我們反過來思考,歐式空間中的向量是先有的,矢量空間是抽象後的概念。正好反過來,很好玩;

5) 既然歐式空間中的任意一個點為基礎,各種方向和長度的直線段是一個無限元素的集合,這個集合就是一個矢量空間。那麼很自然,流形上的點是否可以這麼做?

6) 不可以,因為流形上的點,相對來說,還好確定,只是坐標分量比較多而已,但是方向無法確定啊?不像歐式空間,方向可以用直線段上的一點的坐標來描述。而流形則不同,你再找另外一個點,沒意義了,因為流形是連續變化的空間;

7) 那如何定義方向呢?

1) 那只能重新定義方向了。設v是R3中任一點p的一個箭頭,則對R3上的人一光滑函數就可以沿著v求方向導數,這導函數在p點的值是一個實數。可見,v就是一個把f變為實數的映射;

8) 所以流行中的向量,必定是方向導數,為何如此,是因為流形的方向,必須用更本質的方向的定義;

9) 萬幸的是,求導也是線性的,並無違反「線性8條件」。指的注意的是,求導還滿足萊布尼茲律,這個性質很重要;

10) 好了,上面有結論,向量就是一個把函數f變為實數的映射。那麼張量是否如此呢?

11) 之所以提出這樣的問題,是因為我們知道,一維張量就是向量。

12) 張量當然也可以!而且更有意思!張量也是函數變為實數的映射!用廣義相對論的黎曼曲率張量做例子是最合適不過了!

13) 廣義相對論表明,和坐標無關,和參數也無關。意思就是說,指定了一個點(四維時空單元),那麼黎曼所有函數的值都確定了,好吧。愛因斯坦就想,左邊的時空變換的實數值,和右邊能量對應的實數值,必然有一定的正比關係!這個比例常數,是可以使用近似下的牛頓引力公式得出來的;

14) 天啊。定義域不重要,值域也不重要。就是映射相等便可。還有別的張量方程麼?

15) 愛因斯坦場方程是廣義相對論的核心,點(四維時空單元)不重要,但點對應的函數芽是重要,正如上述所說,向量就是方向導數,函數芽是餘切,那麼是一階,函數芽空間對偶的空間需要求二階(因為曲率是二階求導)是三階,所以黎曼曲率張量的階是1+1+2=4階。

16) 很顯然,f隨便不同的物理量是不同的,那麼各種f的方向導數就是對應的向量場,比如引力函數為f3,那麼f3的方向導數就是對應的引力場。

請問上述理解對麼?還有哪些張量方程呢?

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