2024-12-23 黎曼幾何張量為何至多四階

????????取定局部坐標修己,切叢限制在流形的該局部,我們有二元運算\nabla_{(·)}(·)迎罗。任何線性的二元運算睬愤,在固定一個位置,缺省一個位置的情況下縮并為一個線性空間自同態(tài)纹安,稱由二元運算縮并而來的自同態(tài)稱為(關(guān)于這個二元運算的)內(nèi)自同態(tài)尤辱。(這在李代數(shù)里是標準的術(shù)語,只不過那時不強調(diào)是關(guān)于Lie括號[ ]的內(nèi)自同態(tài))

????????點態(tài)的看厢岂,配備二元運算的線性空間(V光督,< >)的內(nèi)自同態(tài)InnEnd構(gòu)成代數(shù),可以討論其交換子咪笑。

[\nabla_{e_i},\nabla_{e_j}]:=\nabla_{e_i}\nabla_{e_j}-\nabla_{e_j}\nabla_{e_i}\\

????????交換子作為End中的元素可帽,在基下有一個矩陣表示,

[\nabla_{e_i},\nabla_{e_j}]e_k=R_{ijk}^le_l\\

????????其中的R_{ijk}^l定義為黎曼曲率張量窗怒,是一個四階張量映跟。

問題提出:

????????縱觀整個過程,交換子[·扬虚,·]只是代數(shù)中的一種運算努隙,如果構(gòu)造一個包含更多內(nèi)自同態(tài)的表達式,考慮他作為自同態(tài)的表示矩陣辜昵,可以得到更高階的張量嗎荸镊?比如

\nabla_i\nabla_j\nabla_k-\nabla_i\nabla_k\nabla_j+\nabla_k\nabla_i\nabla_j-\nabla_k\nabla_i\nabla_j+\nabla_j\nabla_k\nabla_i-\nabla_j\nabla_i\nabla_k\\

我隨手就根據(jù)S3中置換的奇偶性寫了一個看似很有道理的表達式,他顯然是一個End(TM_loc)中的元素,令它作用在向量e_l身上躬存,考慮其矩陣表示:

(\nabla_i\nabla_j\nabla_k-\nabla_i\nabla_k\nabla_j+\nabla_k\nabla_i\nabla_j-\nabla_k\nabla_i\nabla_j+\nabla_j\nabla_k\nabla_i-\nabla_j\nabla_i\nabla_k)e_l=H_{ijkl}^me_m\\

????????我可以聲稱H是一個五階張量嗎张惹?如果是,我們這樣下去是不是可以做出無窮無盡的有意思的張量來岭洲?為什么黎曼幾何的教材只寫到4階張量呢宛逗?

? ? ? ? 猜測:或許是因為后面這些高階的東西不是張量,或許是因為它們并不有意思盾剩。為了考察到底是哪個原因雷激,使得黎曼幾何不研究4階以上的張量,讓我們逐個去考察這兩個問題告私。

子問題1:什么樣的量是張量呢屎暇?\Gamma_{ij}^k不是張量,而R_{ijk}^l是張量驻粟,這是如何達成的根悼?


\tilde{x}=\tilde{x} (x)下,考察Christofel符號的變化格嗅。

依定義有\nabla_{\tilde{e}_i}\tilde{e}_j=\tilde{\Gamma}_{ij}^k\tilde{e}_k

\tilde{e}_i=\frac{\partial}{\partial\tilde{x}_i}=\frac{\partial}{\partial x_j}·\frac{\partial x_j}{\partial \tilde{x}_i}=A^j_ie_j番挺,其中A是坐標變換的雅可比矩陣之逆。

代入有\nabla_{A^l_ie_l}(A_j^me_m)=\tilde{\Gamma}_{ij}^kA_k^ne_n

依第一變元的函數(shù)線性+對第二變元Lebniz性展開化簡屯掖,

A^l_i(A_{j,l}^me_m+A_j^m\nabla_{e_l}e_m)=\tilde{\Gamma}_{ij}^kA_k^ne_n

A^l_i(A_{j,l}^me_m+A_j^m\Gamma_{lm}^se_s)=\tilde{\Gamma}_{ij}^kA_k^ne_n

為了對比系數(shù),重置指標襟衰,

A^l_i(A_{j,l}^se_s+A_j^m\Gamma_{lm}^se_s)=\tilde{\Gamma}_{ij}^kA_k^se_s

對比系數(shù)得A^l_i(A_{j,l}^s+A_j^m\Gamma_{lm}^s)=\tilde{\Gamma}_{ij}^kA_k^s?????????????????????????(? #? )

可悲贴铜,加法都干出來了,確實不是張量瀑晒。

????????加法是一次Lebniz律導(dǎo)致的绍坝,很難搞,但是如果希冀一個很棒很棒的消元法苔悦,把很多個(? #? )式相互做運算轩褐,類似消參一樣,最后消掉加法帶來的非張量性玖详,就可以得到張量了把介。

? ? ? ? 課本告訴我們有一個很好的量叫黎曼曲率張量。這相當于告訴我們蟋座,如果依Riemann曲率張量去構(gòu)造形如\Gamma-\Gamma+\Gamma\Gamma-\Gamma\Gamma的量拗踢,則得到一種成功的消去加法的障礙、得到張量的一種消去法向臀。還有其他得到張量的方法嗎巢墅?是不是這就是為了得到張量所需進行的最少消元運算,使得其他所有理論上可能的張量都是黎曼曲率以某種標準的張量構(gòu)造方式生成的呢?立刻回想起前天吃午飯的時候看到的定理君纫。

(Weyl's Theorem 1929)

黎曼流形上逐點的保距變換不變量都可以用黎曼曲率張量及其協(xié)變導(dǎo)數(shù)來表示驯遇。


插入一條無關(guān)新聞:Weyl曲率張量,減去了所有縮并部分蓄髓,成為Trace Free

????????縱觀我們的結(jié)果叉庐,可以把一個與坐標有關(guān)的非張量通過運算達成一個“最簡”張量、使得所有其他張量都factor through最簡張量的過程双吆,叫做張量化眨唬。張量化的實質(zhì)困難在于用消元處理多指標和Lebiz律,Lebniz律理解為線性運算之外的一個形式運算好乐,(形式是無需考慮其是否由一個微分實現(xiàn))匾竿,在形式張量理論中是一個實質(zhì)性困難。我們或許需要關(guān)于Lebiz律參與的抽象張量代數(shù)蔚万,以使得計算機來處理這個任務(wù)岭妖。

Weyl定理也解決了問題2,其他的更高階張量并不有意思反璃,因為我們已經(jīng)找到了所有張量的參數(shù)化張量昵慌。但是卻引發(fā)了

引申問題:

黎曼度量gij本身是張量,一同及其復(fù)雜的運算得到了R_ijkl是張量淮蜈,R本身是gij的函數(shù)斋攀。用R反解gij似乎是不可能的。用R表達出的東西也可以用g表達梧田,但是weyl定理說沒必要淳蔼!所有東西都是以R為單位打包好的!沒有特別特別碎的部分以至于必須把R再劈開成gij裁眯。

這就引發(fā)另一個問題:在郭帥老師課上鹉梨,我們見過Virasoro代數(shù),Heisenberg代數(shù)穿稳,那時我們是用一個交換關(guān)系定義整個代數(shù)的存皂。[L_m,L_n]=cL_{m+n}。其中c我忘記了逢艘,也不重要旦袋。

當時就疑惑:為什么交換子關(guān)系就定義了整個代數(shù)呢?埋虹?其實對于一般的代數(shù)猜憎,這是不對的。只不過這里特殊代數(shù)的生成關(guān)系只由交換子來體現(xiàn)搔课。

而在我們的場景中胰柑,黎曼曲率張量在所有張量中有一個最原初的張量的地位截亦,而其構(gòu)造則是作為[\nabla,\nabla]的結(jié)構(gòu)系數(shù)出現(xiàn)的,交換子在定義某些代數(shù)時的根本地位柬讨,和交換子的結(jié)構(gòu)系數(shù)Riemann張量在張量表示中的根本地位崩瓤,是有關(guān)聯(lián)的事情嗎?

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