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

愛因斯坦標記法的基本點子是餘向量與向量可以形成純量:

。

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:

。

向量乘以矩陣

給予矩陣和向量,它們的乘積是向量:

。

類似地,矩陣的轉置矩陣,其與餘向量的乘積是餘向量:

。

矩陣乘法

矩陣乘法表示為

。

這公式等價於較冗長的普通標記法:

。

跡

給予一個方塊矩陣,總和所有上標與下標相同的元素,可以得到這矩陣的跡:

。

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

將向量 投影於坐標軸,可以求得其反變分量;將向量投影於坐標曲面的法線,可以求得其共變分量。

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。

參閱

參考文獻

  1. Einstein, Albert, , Annalen der Physik, 1916 [2006-09-03], (原始内容 (PDF)存档于2007-07-22)
  2. 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)
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