Тензор кривини

Матеріал з testwiki
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Тензор Рімана Rijks (тензор внутрішньої кривини многовида) з'являється при розгляді комутатора коваріантних похідних коваріантного вектора (дивіться статтю Диференціальна геометрія)

(1)[jk]ai=Rijksas

Деякі тотожності

(2)Rijks=jΓikskΓijs+ΓijpΓpksΓikpΓpjs

Замість коваріантних компонент ai можна підставити базисні вектори 𝐫i:

(3)[jk]𝐫i=Rijks𝐫s

І враховуючи, що коваріантна похідна від базисних векторів j𝐫i дорівнює векторам повної кривини 𝐛ij (дивіться Прості обчислення диференціальної геометрії), маємо:

(3)j𝐛ikk𝐛ij=Rijks𝐫s

Домножимо формулу (3) скалярно на 𝐫p, i врахуємо ортогональність векторів кривини до многовиду: (𝐫s𝐛ij)=0. В результаті одержуємо формулу для коваріантних компонент тензора Рімана:

Rpijk=Rijks(𝐫p𝐫s)=(𝐫p(j𝐛ik))+(𝐫p(k𝐛ij))=
=(j(𝐫p𝐛ik)+((j𝐫p)𝐛ik))+(k(𝐫p𝐛ij)((k𝐫p)𝐛ij))=
=(0(𝐛jp𝐛ik))+(0(𝐛kp𝐛ij))=(𝐛pj𝐛ik)(𝐛pk𝐛ij)

або після зміни знаку і перейменування індексів:

(4)Rijkl=(𝐛ik𝐛jl)(𝐛il𝐛jk)

Як можна побачити з останнього рівняння (в скалярних добутках індекси k і l переставлені), тензор Рімана антисиметричний за першою парою індексів ij і за другою парою індексів kl (при перестановці зменшуване і від'ємник у правій частині формули (4) міняються місцями):

(5)Rijkl=Rjikl=Rijlk

Також легко бачити, що тензор Рімана не змінюється при перестановці першої пари індексів ij з другою парою індексів kl (при перестановці у множниках зменшуваного індекси переставляються, але оскільки величини 𝐛ij симетричні за індексами, то скалярний добуток зменшуваного не зміниться; у від'ємнику аналогічно, але співмножники в скалярному добутку міняються місцями, що не впливає на результат):

(6)Rijkl=Rklij

Згортка тензора Рімана за першим і третім індексами (або, що еквівалентно, за другим і четвертим індексами) дає симетричний тензор другого рангу Rik, який називається тензором Річчі:

(7)Rik=gjlRijkl

Тензор Річчі симетричний:

(8)Rik=Rki

Тензор Річчі можна також згорнути за індексами, одержавши скалярну кривину:

(9)R=gikRik

Враховуючи (4), маємо:

(10)R=(𝐛ii)2(𝐛ij𝐛ji)

Комутатор для контраваріантного векора одержуємо, піднявши індекс i у формулі (1):

(11)[jk]ai=Rjksias=Rjkisas=Rsjkias

Оскільки комутатор коваріантних похідних [ij] діє на добуток тензорів TU за правилом диференціального оператора:

[ij](TU)=([ij]T)U+T([ij]U)

то ми можемо, користуючись формулами (1) і (11), обчислити дію комутатора коваріантних похідних на тензор, який є добутком векторів.

Але довільний тензор можна представити лінійною комбінацією таких елементарних тензорів, тому при дії комутатора на довільний тензор з будь-якою кількістю верхніх та нижніх індексів, маємо:

(12)[jk]Tl1l2i1i2=Rsjki1Tl1l2si2+Rsjki2Tl1l2i1s+Rl1jksTsl2i1i2Rl2jksTl1si1i2


Тензор Рімана задовольняє дві тотожності Біанкі:

Алгебраїчна тотожність Біанкі (циклічна перестановка індексів ijk):

(13)Rsijk+Rsjki+Rskij=0

Диференціальна тотожність Біанкі (циклічна перестановка індексів pjk):

(14)pRijks+jRikps+kRipjs=0

Алгебраїчна тотожність Біанкі

Тензор Рімана задовольняє наступну тотожність:

(1)Rsijk+Rsjki+Rskij=0

яка називається алгебраїчною тотожністю Біанкі.

Варіанти запису алгебраїчної тотожності Біанкі

Оскільки тензор Рімана має дві антисиметричні пари індексів (тензор змінює знак на протилежний при перестановці двох індексів всередині кожної з пар), причому тензор симетричний при перестановці місцями самих пар, то ми можемо, наприклад поміняти місцями перші два індекса. Одержуємо (змінивши знак):

(1a)Risjk+Rjski+Rksij=0

Якщо тепер поміняти місцями пари індексів, то матимемо:

(1b)Rjkis+Rkijs+Rijks=0

Всі ці тотожності еквівалентні, і словами їх можна описати так: фіксуємо один з індексів тензора Рімана, а з трьох решти індексів утворююємо три циклічні перестановки. Сума компонент тензора Рімана з одержаними трьома наборами індексів дорівнює нулю.

Інші варіанти одержуються при підніманні одного чи декількох індексів, наприклад:

(1c)Rijks+Rjkis+Rkijs=0

Підготовка доведення

Нехай ми маємо величину з трьома індексами sij,k яка симетрична по двох індексах (наприклад по двох перших індексах):

(2)sij,k=sji,k

З неї ми можемо скласти іншу величину, яка буде антисиметрична по останніх двох індексах, за наступною формулою:

(3)ai,jk=sij,ksik,j

Тоді легко перевірити, що сума компонент ai,jk при циклічних перестановках індексів дорівнює нулю:

(4)ai,jk+aj,ki+ak,ij=sij,ksik,j+sjk,isji,k+ski,jskj,i=0

Цей хід викладок не зміниться, якщо величина sij,k матиме більшу кількість індексів, які проте в перестановках не беруть участі.

Доведення виходячи із представлення через символи Крістофеля

Запишемо тензор Рімана через символи Крістофеля:

(5)Rijks=jΓkiskΓjis+ΓjpsΓkipΓkpsΓjip

Якщо ми позначимо:

(6)sij,k=kΓjisΓkpsΓjip

то

(7)ai,jk=sij,ksik,j=Rijks

і рівність (4) збігається з алгебраїчною тотожністю Біанкі (1).

Доведення виходячи із представлення через вектори повної кривини

Запишемо тензор Рімана:

(8)Rsijk=(𝐛sj𝐛ik)(𝐛sk𝐛ij)

В цьому випадку

(9)sij,k=(𝐛sk𝐛ij)

а далі все аналогічно попереднім викладкам.

Доведення через коваріантні похідні

Нехай и маємо довільне скалярне поле ϕ=ϕ(u1,un). Введемо наступні позначення для коваріантних похідних цього поля першого та другого порядку:

(10)ϕi=iϕ=iϕ
(11)ϕij=ijϕ=ijϕΓijsϕs

Зазначимо, що друга похідна є симетричним тензором внаслідок перестановочності частинних похідних та симетрії символів Крістофеля.

Тоді згортка тензора Рімана з градієнтом ϕ дорівнює:

(12)Rijksϕs=[kj]ϕi=kϕijjϕik

В цьому випадку:

(13)sij,k=kϕij

і ми одержуємо тотожність:

(14)(Rijks+Rjkis+Rkijs)ϕs=0

Оскільки функція ϕ=ϕ(u1,un) довільна, ми можемо взяти її рівній одній з координат (α — фіксований індекс):

(15)ϕ=uα,ϕs=δsα

Підставляючи (15) в (14) одержуємо (з точністю до позначень індексів) алгебраїчну тотожність Біанкі (1).

Антисиметризація тензора Рімана

Використовуючи тензор тензор метричної матрьошки, можна для довільного тензора Ti1im m-рангу скласти наступний антисиметричний по всіх індексах тензор:

(16)Ai1im=1m!gi1imj1jmTj1jm

Очевидно, що антисиметричний тензор залишається незмінним після проведення процедури антисиметризації.

Застосуємо антисиметризацію до тензора Рімана:

(17)Asijk=14!gsijks1i1j1k1Rs1i1j1k1=124|δss1δis1δjs1δks1δsi1δii1δji1δki1δsj1δij1δjj1δkj1δsk1δik1δjk1δkk1|Rs1i1j1k1

При розкриванні визначника ми одержимо 24 доданка по перестановках індексів sijk, причому парні перестановки будуть зі знаком «плюс», а непарні — зі знаком «мінус»:

(18)Asijk=124((Rsijk+Rsjki+Rskij)(Rsjik+Rsikj+Rskji)+)

Усього в формулі (18) буде вісім груп доданків по три доданки в кожній. Враховуючи симетрії тензора Рімана легко бачити, що всі ці вісім груп однакові (із врахуванням знаків). Тому одержуємо:

(19)Asijk=13(Rsijk+Rsjki+Rskij)

Тепер алгебраїчну тотожність Біанкі можна словами описати так: антисиметризація тензора Рімана дорівнює нулю.

Кількість лінійно незалежних компонент внутрішньої кривини

Якщо n — розмірність многовида, то кількість комбінацій в антисиметричній парі індексів дорівнює:

(20)α=Cn2=n(n1)2

Оскільки тензор Рімана симетричний щодо перестановки пар індексів, то його компоненти записуються (з точністю до знаку) через таку кількість різних чисел:

(21)β=α(α+1)2=n(n1)4(n(n1)2+1)

Але ці числа пов'язані лінійними залежностями, які слідують з алгебраїчної тотожності Біанкі. Кількість цих рівнянь, як легко бачити з формули (19), дорівнює кількості істотно різних компонент антисиметричного тензора четвертого рангу Aijkl:

(22)γ=Cn4=n(n1)(n2)(n3)24

(зауважимо, що формула (22) дає правильний результат, тобто нуль, тоді коли n<4)

Отже кількість лінійно незалежних компонент тензора Рімана дорівнює різниці:

(23)N=βγ=n(n1)24(3n(n1)+6(n2)(n3))=n2(n21)12

Звичайно, формула (23) дає тільки максимально можливу кількість лінійно незалежних компонент тензора Рімана для даної розмірності многовида. А для конкретних многовидів ця кількість може бути меншою. Наприклад для плоского простору ця кількість дорівнює нулю, а для гіперповерхні в системі координат головних напрямків, маємо для індексів ij формулу:

(24)Rijij=k(i)k(j)

а отже кількість лінійно незалежних компонент не перевищує кількості комбінацій з n по 2, тобто:

(25)Nhypersurface=Cn2=n(n1)/2

Зв'язок з іншими властивостями внутрішньої кривини

Внаслідок алгебраїчної тотожності Біанкі, внутрішня кривина многовида повністю визначається за значеннями наступної квадратичної форми від бівекторів σij=aibjajbi:

(26)Φ(σ)=Rijklσijσkl

Також з алгебраїчною тотожністю Біанкі пов'язана можливість альтернативного погляду на внутрішню кривину через Симетричний тензор внутрішньої кривини.


Диференціальна тотожність Біанкі

Тензор Рімана задовольняє наступну тотожність:

(1)iRrjks+jRrkis+kRrijs=0

яка називається диференціальною тотожністю Біанкі.

Доведення з використанням спеціальної системи координат

Достатнньо вибрати на многовиді якусь одну довільну точку P і довести рівність (1) у цій точці. Оскільки точка P довільна, то звідси слідуватиме справедливість тотожності (1) на всьому многовиді.

В точці P ми можемо вибрати таку спеціальну систему координат, що всі символи Крістофеля (але не їхні похідні) перетворюються в нуль в точці P (див. статтю Майже декартові координати в точці многовида). Тоді для коваріантних похідних в точці P маємо:

(2)iRrjks=iRrjks

Оскільки

(3)Rrjks=jΓkrskΓjrs+ΓjpsΓkrpΓkpsΓjrp

то в точці P маємо:

(4)iRrjks=ijΓkrsikΓjrs

Циклічно переставляючи в (4) індекси ijk одержимо ще дві рівності:

(5)jRrkis=jkΓirsjiΓkrs
(6)kRrijs=kiΓjrskjΓirs

Легко бачити, що при додаванні рівностей (4), (5) і (6) в лівій частині рівняння буде вираз (1), а в правій, врахувавши комутативність частинних похідних, усі доданки взаємно знищаться і ми одержимо нуль.

Існування декартової системи координат

Якщо існує декартова система координат, то Rijkl=0

Якщо на многовиді існує декартова система координат (в якій метричний тензор дорівнює одиничній матриці gij=δij), то в цій системі координат всі похідні метричного тензора kgij=0, а отже і всі символи Крістофеля тотожно дорівнюють нулю:

Γijk=12gks(igjs+jgissgij)=0

Отже і всі компоненти тензора Рімана в декартовій системі координат дорівнюють нулю:

Rijks=jΓikskΓijk+ΓjpsΓikpΓkpsΓijp=0

Але оскільки тензор Рімана при переході в іншу систему координат перетворюється по тензорним правилам:

R~ijks=Rlmnpu~supulu~iumu~junu~k

то він дорівнює нулю в будь-якій іншій системі координат на цьому многовиді.

Якщо Rijkl=0, то можна побудувати декартову систему координат

Нехай тензор Рімана тотожно дорівнює нулю в деякій зв'язній області многовида. Візьмемо довільну точку P в межах цієї області - ця точка буде початком нашої майбутньої декартової системи координат. В точці виберемо якийсь ортонормований базис - вектори цього базису будуть задавати додатні напрямки координатних осей майбутньої системи координат.

Розглянемо один із векторів базису, який поки що для простоти позначимо буквою v (взагалі-то кількість базисних векторів n, і треба було б позначити індексом, який із базисних векторів ми розглядаємо; але поки ми зосередимося на побудові однієї координати).

Користуючись паралельним перенесенням починаючи з точки P, в кожній точці області многовида побудуємо вектор, паралельний вектору v. Результат перенесення не залежить від шляху переносу (оскільки тензор Рімана дорівнює нулю), а залежить тільки від кінцевої точки. Таким чином ми одержали в нашій області векторне поле:

(1)vi=vi(u1,u2,un)

яке до того ж є постійним стосовно коваріантного диференціювання, тобто справедливі рівності:

(2)jvi=0

З останнього рівняння, враховуючи означення коваріантної похідної і симетрію символів Крістофеля, знаходимо:

(3)0=jviivj=(jviΓjikvk)(ivjΓijkvk)=jviivj=0

Тепер, оскільки

(4)jvi=ivj

То вектор є градієнтом деякої скалярної функції ϕ=ϕ(u1,u2,un):

(5)vi=iϕ

Функцію ϕ в якійсь точці Q області многовида можна обчислити через інтеграл по кривій, що сполучає початок координат P і точку Q:

(7)ϕ|Q=PQvidui

причому результат інтегрування не залежить від кривої (внаслідок формули Стокса і рівності (5)).

Функція ϕ=ϕ(u1,u2,un) і буде однією з координат. Тепер повернемося до інших векторів базису, цього разу уже пронумеруємо ці вектори індексом, взятим у дужки. Так само для кожного такого вектора побудуємо в нашій області відповідне постійне векторне поле, яке є градієнтом відповідної координати:

(8)vi(k)=iϕ(k)

Оскільки паралельне перенесення групи векторів зберігає скалярні добутки між ними, а в початку координат ці скалярні добутки дорівнюють одиничній матриці, то в усій області маємо:

(9)gijϕ(k)uiϕ(l)uj=δkl

тобто координати ϕ(k) є декартовими.

Погляд із охоплюючого евклідового простору

Розглянемо рівність:

(10)Rijkl=(𝐛ik𝐛jl)(𝐛il𝐛jk)=0

в якійсь точці P многовиду, і дві геодезичні лінії, що проходять через цю точку, але в різних напрямках. Кривини цих геодезичних дорівнюють:

𝐤=𝐛ijτiτj
𝐤~=𝐛ijτ~iτ~j

Тепер домножимо (10) на добуток τiτ~jτkτ~l, одержимо:

(𝐤𝐤~)=(𝐛ijτiτ~j)20

Висновок - кривини всіх геодезичних напрямлені приблизно в один бік, многовид не має сідлових точок, в яких би різні геодезичні викривлялися в протилежні боки.

Див. також

Література