变换方式
向量:反变变换
标记法说明:向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
是向量空间
V
{\displaystyle V\,\!}
的元素。向量基底
e
1
,
e
2
,
.
.
.
,
e
n
{\displaystyle \mathbf {e} _{1},\mathbf {e} _{2},...,\mathbf {e} _{n}\,\!}
构成了向量空间的一个基底,其坐标系统为
x
1
,
x
2
,
.
.
.
,
x
n
{\displaystyle x^{1},x^{2},...,x^{n}\,\!}
。对应这个基底,向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
的分量为
v
1
,
v
2
,
.
.
.
,
v
n
{\displaystyle v^{1},v^{2},...,v^{n}\,\!}
,即
v
=
∑
i
v
i
e
i
{\displaystyle \textstyle \mathbf {v} =\sum _{i}v^{i}\mathbf {e} _{i))
。 (注:
v
2
{\displaystyle v^{2}\,\!}
这符号中的上标
2
{\displaystyle 2}
不代表平方 ,而是代表第二个坐标,在较基础的数学上,常写作
v
2
{\displaystyle v_{2}\,\!}
,但是,在张量分析领域,指标写作上标或下标牵涉到对张量性质的提示,以及爱因斯坦求和约定 。)
向量空间
V
{\displaystyle V}
有另一个基底
e
¯
1
,
.
.
.
,
e
¯
n
{\displaystyle {\bar {\mathbf {e} ))_{1},...,{\bar {\mathbf {e} ))_{n}\,\!}
,其坐标系统为
x
¯
1
,
.
.
.
,
x
¯
n
{\displaystyle {\bar {x))^{1},...,{\bar {x))^{n}\,\!}
。对应这个基底,
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
有分量
v
¯
1
,
v
¯
2
,
.
.
.
,
v
¯
n
{\displaystyle {\bar {v))^{1},{\bar {v))^{2},...,{\bar {v))^{n}\,\!}
,即
v
=
∑
i
v
¯
i
e
¯
i
{\displaystyle \textstyle \mathbf {v} =\sum _{i}{\bar {v))^{i}{\bar {\mathbf {e} ))_{i))
。
对于1...n之间任意整数
μ
{\displaystyle \mu \,\!}
,我们知道
v
¯
μ
{\displaystyle {\bar {v))^{\mu }\,\!}
和
v
1
,
v
2
,
.
.
.
,
v
n
{\displaystyle v^{1},v^{2},...,v^{n}\,\!}
的关系:
v
¯
μ
=
∂
x
¯
μ
∂
x
1
v
1
+
∂
x
¯
μ
∂
x
2
v
2
+
.
.
.
+
∂
x
¯
μ
∂
x
n
v
n
{\displaystyle {\bar {v))^{\mu }={\frac {\partial {\bar {x))^{\mu )){\partial x^{1))}v^{1}+{\frac {\partial {\bar {x))^{\mu )){\partial x^{2))}v^{2}+...+{\frac {\partial {\bar {x))^{\mu )){\partial x^{n))}v^{n}\,\!}
。使用爱因斯坦求和约定 可写成:
v
¯
μ
=
∂
x
¯
μ
∂
x
i
v
i
{\displaystyle {\bar {v))^{\mu }={\frac {\partial {\bar {x))^{\mu )){\partial x^{i))}v^{i}\,\!}
。
余向量:共变变换
假设对偶空间
V
∗
{\displaystyle V^{*))
有两个基底
d
x
1
,
d
x
2
,
.
.
.
,
d
x
n
{\displaystyle {\mathbf {dx} ^{1},\mathbf {dx} ^{2},...,\mathbf {dx} ^{n))\,\!}
跟
d
x
¯
1
,
d
x
¯
2
,
.
.
.
,
d
x
¯
n
{\displaystyle \mathbf {d{\bar {x))} ^{1},\mathbf {d{\bar {x))} ^{2},...,\mathbf {d{\bar {x))} ^{n}\,\!}
。[1] :289-297
假设
ω
∈
V
∗
,
ω
=
∑
i
η
i
d
x
i
=
∑
j
η
¯
j
d
x
¯
j
{\displaystyle \textstyle {\boldsymbol {\omega ))\in V^{*},{\boldsymbol {\omega ))=\sum _{i}\mathbf {\eta } _{i}\mathbf {dx} ^{i}=\sum _{j}{\bar {\mathbf {\eta } ))_{j}d{\bar {\mathbf {x} ))^{j))
。
则对于
1
{\displaystyle 1}
...
n
{\displaystyle n}
之间其中一个特定的整数
μ
{\displaystyle \mu \,\!}
,我们知道
η
¯
μ
{\displaystyle {\bar {\mathbf {\eta } ))_{\mu }\,\!}
和
η
1
,
η
2
,
.
.
.
,
η
n
{\displaystyle \mathbf {\eta } _{1},\mathbf {\eta } _{2},...,\mathbf {\eta } _{n}\,\!}
的关系:
η
¯
μ
=
∂
x
1
∂
x
¯
μ
η
1
+
∂
x
2
∂
x
¯
μ
η
2
+
.
.
.
+
∂
x
n
∂
x
¯
μ
η
n
{\displaystyle {\bar {\mathbf {\eta } ))_{\mu }={\frac {\partial x^{1)){\partial {\bar {x))^{\mu ))}\mathbf {\eta } _{1}+{\frac {\partial x^{2)){\partial {\bar {x))^{\mu ))}\mathbf {\eta } _{2}+...+{\frac {\partial x^{n)){\partial {\bar {x))^{\mu ))}\mathbf {\eta } _{n}\,\!}
。或使用爱因斯坦求和约定写成:
η
¯
μ
=
∂
x
i
∂
x
¯
μ
η
i
{\displaystyle {\bar {\mathbf {\eta } ))_{\mu }={\frac {\partial x^{i)){\partial {\bar {x))^{\mu ))}\mathbf {\eta } _{i}\,\!}
。
向量的共变分量和反变分量
在欧几里得空间
V
{\displaystyle V\,\!}
里,共变向量和反变向量之间的区分很小。这是因为能够使用内积 运算从向量求得余向量;对于所有余向量
w
{\displaystyle \mathbf {w} \,\!}
,通过下述方程,向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
和线性泛函
α
(
w
)
{\displaystyle \alpha (\mathbf {w} )\,\!}
,唯一地确定了余向量
w
{\displaystyle \mathbf {w} \,\!}
:
α
(
w
)
=
v
⋅
w
{\displaystyle \alpha (\mathbf {w} )=\mathbf {v} \cdot \mathbf {w} \,\!}
。逆过来,通过上述方程,线性泛函
α
(
w
)
{\displaystyle \alpha (\mathbf {w} )\,\!}
和每一个余向量,唯一地确定了向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
。由于这向量与余向量的相互辨认,我们可以提到向量的共变分量和反变分量;也就是说,它们只是同样向量对于基底和其对偶基底的不同表现。
给予
V
{\displaystyle V\,\!}
的一个基底
f
=
(
X
1
,
X
2
,
…
,
X
n
)
{\displaystyle {\mathfrak {f))=(X_{1},X_{2},\dots ,X_{n})\,\!}
,则必存在一个唯一的对偶基底
f
♯
=
(
Y
1
,
Y
2
,
…
,
Y
n
)
{\displaystyle {\mathfrak {f))^{\sharp }=(Y^{1},Y^{2},\dots ,Y^{n})\,\!}
,满足
Y
i
⋅
X
j
=
δ
j
i
{\displaystyle Y^{i}\cdot X_{j}=\delta _{j}^{i}\,\!}
;其中,
δ
j
i
{\displaystyle \delta _{j}^{i}\,\!}
是克罗内克函数 。
以这两种基底,任意向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
可以写为两种形式
v
=
∑
i
v
i
[
f
]
X
i
=
f
v
[
f
]
=
∑
i
v
i
[
f
]
Y
i
=
f
♯
v
[
f
♯
]
{\displaystyle {\begin{aligned}v&=\sum _{i}v^{i}[{\mathfrak {f))]X_{i}={\mathfrak {f))\,\mathbf {v} [{\mathfrak {f))]\\&=\sum _{i}v_{i}[{\mathfrak {f))]Y^{i}={\mathfrak {f))^{\sharp }\,\mathbf {v} [{\mathfrak {f))^{\sharp }]\end{aligned))\,\!}
; 其中,
v
i
[
f
]
{\displaystyle v^{i}[{\mathfrak {f))]\,\!}
是向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
对于基底
f
{\displaystyle {\mathfrak {f))\,\!}
的反变分量,
v
i
[
f
]
{\displaystyle v_{i}[{\mathfrak {f))]\,\!}
是向量
v
{\displaystyle \mathbf {v} \,\!}
对于基底
f
{\displaystyle {\mathfrak {f))\,\!}
的共变分量,
欧几里得空间
将向量
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
投影 于坐标轴
e
i
{\displaystyle \mathbf {e} ^{i}\,\!}
,可以求得其反变分量
a
i
{\displaystyle a^{i}\,\!}
;将向量
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
投影于坐标曲面 的法线
e
i
{\displaystyle \mathbf {e} _{i}\,\!}
,可以求得其共变分量
a
i
{\displaystyle a_{i}\,\!}
。 在欧几里得空间 R3 里,使用内积 运算,能够从向量求得余向量。给予一组可能不是标准正交基 的基底,其基底向量为
e
1
{\displaystyle \mathbf {e} _{1}\,\!}
、
e
2
{\displaystyle \mathbf {e} _{2}\,\!}
、
e
3
{\displaystyle \mathbf {e} _{3}\,\!}
,就可以计算其对偶基底的基底向量:
e
1
=
e
2
×
e
3
τ
;
e
2
=
e
3
×
e
1
τ
;
e
3
=
e
1
×
e
2
τ
{\displaystyle \mathbf {e} ^{1}={\frac {\mathbf {e} _{2}\times \mathbf {e} _{3)){\tau ));\qquad \mathbf {e} ^{2}={\frac {\mathbf {e} _{3}\times \mathbf {e} _{1)){\tau ));\qquad \mathbf {e} ^{3}={\frac {\mathbf {e} _{1}\times \mathbf {e} _{2)){\tau ))\,\!}
;其中,
τ
=
e
1
⋅
(
e
2
×
e
3
)
{\displaystyle \tau =\mathbf {e} _{1}\cdot (\mathbf {e} _{2}\times \mathbf {e} _{3})\,\!}
是三个基底向量
e
1
{\displaystyle \mathbf {e} _{1}\,\!}
、
e
2
{\displaystyle \mathbf {e} _{2}\,\!}
、
e
3
{\displaystyle \mathbf {e} _{3}\,\!}
所形成的平行六面体 的体积。
反过来计算,
e
1
=
e
2
×
e
3
τ
′
;
e
2
=
e
3
×
e
1
τ
′
;
e
3
=
e
1
×
e
2
τ
′
{\displaystyle \mathbf {e} _{1}={\frac {\mathbf {e} ^{2}\times \mathbf {e} ^{3)){\tau '));\qquad \mathbf {e} _{2}={\frac {\mathbf {e} ^{3}\times \mathbf {e} ^{1)){\tau '));\qquad \mathbf {e} _{3}={\frac {\mathbf {e} ^{1}\times \mathbf {e} ^{2)){\tau '))\,\!}
;其中,
τ
′
=
e
1
⋅
(
e
2
×
e
3
)
=
1
/
τ
{\displaystyle \tau '=\mathbf {e} ^{1}\cdot (\mathbf {e} ^{2}\times \mathbf {e} ^{3})=1/\tau \,\!}
是三个基底向量
e
1
{\displaystyle \mathbf {e} ^{1}\,\!}
、
e
2
{\displaystyle \mathbf {e} ^{2}\,\!}
、
e
3
{\displaystyle \mathbf {e} ^{3}\,\!}
所形成的平行六面体的体积 。
虽然
e
i
{\displaystyle \mathbf {e} _{i}\,\!}
与
e
j
{\displaystyle \mathbf {e} ^{j}\,\!}
并不相互标准正交,它们相互对偶:
e
i
⋅
e
j
=
δ
i
j
{\displaystyle \mathbf {e} _{i}\cdot \mathbf {e} ^{j}=\delta _{i}^{j}\,\!}
。这样,任意向量
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
的反变坐标为
a
1
=
a
⋅
e
1
;
a
2
=
a
⋅
e
2
;
a
3
=
a
⋅
e
3
{\displaystyle a^{1}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} ^{1};\qquad a^{2}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} ^{2};\qquad a^{3}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} ^{3}\,\!}
。类似地,共变坐标为
a
1
=
a
⋅
e
1
;
a
2
=
a
⋅
e
2
;
a
3
=
a
⋅
e
3
{\displaystyle a_{1}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} _{1};\qquad a_{2}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} _{2};\qquad a_{3}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} _{3}\,\!}
。这样,
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
可以表达为
a
=
a
i
e
i
=
a
1
e
1
+
a
2
e
2
+
a
3
e
3
{\displaystyle \mathbf {a} =a_{i}\mathbf {e} ^{i}=a_{1}\mathbf {e} ^{1}+a_{2}\mathbf {e} ^{2}+a_{3}\mathbf {e} ^{3}\,\!}
,或者,
a
=
a
i
e
i
=
a
1
e
1
+
a
2
e
2
+
a
3
e
3
{\displaystyle \mathbf {a} =a^{i}\mathbf {e} _{i}=a^{1}\mathbf {e} _{1}+a^{2}\mathbf {e} _{2}+a^{3}\mathbf {e} _{3}\,\!}
。综合上述关系式,
a
=
(
a
⋅
e
i
)
e
i
=
(
a
⋅
e
i
)
e
i
{\displaystyle \mathbf {a} =(\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} _{i})\mathbf {e} ^{i}=(\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} ^{i})\mathbf {e} _{i}\,\!}
。向量
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
的共变坐标为
a
i
=
a
⋅
e
i
=
(
a
j
e
j
)
⋅
e
i
=
(
e
j
⋅
e
i
)
a
j
=
g
j
i
a
j
{\displaystyle a_{i}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} _{i}=(a^{j}\mathbf {e} _{j})\cdot \mathbf {e} _{i}=(\mathbf {e} _{j}\cdot \mathbf {e} _{i})a^{j}=g_{ji}a^{j}\,\!}
;其中,
g
j
i
=
e
j
⋅
e
i
{\displaystyle g_{ji}=\mathbf {e} _{j}\cdot \mathbf {e} _{i}\,\!}
是度规张量 。
向量
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
的反变坐标为
a
i
=
a
⋅
e
i
=
(
a
j
e
j
)
⋅
e
i
=
(
e
j
⋅
e
i
)
a
j
=
g
j
i
a
j
{\displaystyle a^{i}=\mathbf {a} \cdot \mathbf {e} ^{i}=(a_{j}\mathbf {e} ^{j})\cdot \mathbf {e} ^{i}=(\mathbf {e} ^{j}\cdot \mathbf {e} ^{i})a_{j}=g^{ji}a_{j}\,\!}
;其中,
g
j
i
=
e
j
⋅
e
i
{\displaystyle g^{ji}=\mathbf {e} ^{j}\cdot \mathbf {e} ^{i}\,\!}
是共轭度规张量 。
共变坐标的标号是下标,反变坐标的标号是上标。假若共变基底向量组成的基底是标准正交基,或反变基底向量组成的基底是标准正交基,则共变基底与反变基底相互等价。那么,就没有必要分辨共变坐标和反变坐标,所有的标号都可以用下标来标记。