สัญกรณ์ของไอน์สไตน์
ในทางคณิตศาสตร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้พีชคณิตเชิงเส้นในฟิสิกส์คณิตศาสตร์และเรขาคณิตเชิง อนุพันธ์ สัญกร ณ์ไอน์สไตน์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อแบบ แผนการรวมไอน์สไตน์หรือสัญกรณ์การรวมไอน์สไตน์ ) เป็นแบบแผนการเขียนที่บ่งบอกถึงการรวมผลเหนือชุดของพจน์ที่มีดัชนีในสูตร ซึ่งทำให้กระชับขึ้น ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของคณิตศาสตร์ มันเป็นเซตย่อยของการเขียนในแคลคูลัสริชชีอย่างไรก็ตาม มักใช้ในการประยุกต์ใช้ทางฟิสิกส์ที่ไม่แยกความแตกต่างระหว่างปริภูมิสัมผัสและปริภูมิโคสัมผัสอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ได้นำสัญกรณ์นี้มาใช้ในฟิสิกส์ในปี 1916 [ 1 ]
การแนะนำ
แถลงการณ์ของอนุสัญญา
ตามหลักการนี้ เมื่อตัวแปรดัชนีปรากฏสองครั้งในเทอม เดียวกัน และไม่ได้ถูกกำหนดไว้เป็นอย่างอื่น (ดูตัวแปรอิสระและตัวแปรที่ถูกผูกไว้ ) จะหมายถึงการหาผลรวมของเทอมนั้นเหนือค่าทั้งหมดของดัชนี ดังนั้นในกรณีที่ดัชนีสามารถอยู่ในช่วงของเซต, ตามธรรมเนียมแล้วจะถูกทำให้ง่ายขึ้นเป็น:
ดัชนีด้านบนไม่ใช่เลขชี้กำลังแต่เป็นดัชนีของพิกัด สัมประสิทธิ์หรือเวกเตอร์ฐานกล่าวคือ ในบริบทนี้ควรเข้าใจว่าเป็นองค์ประกอบที่สองของแทนที่จะเป็นกำลังสองของ(บางครั้งอาจนำไปสู่ความคลุมเครือได้) ตำแหน่งดัชนีบนในเนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว ดัชนีจะปรากฏเพียงครั้งเดียวในตำแหน่งตัวยก (superscript) และอีกครั้งในตำแหน่งตัวห้อย (subscript) ในคำศัพท์ (ดูหัวข้อ§ การประยุกต์ใช้ด้านล่าง) โดยทั่วไปแล้วจะเทียบเท่ากับแบบดั้งเดิม.
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปข้อตกลงที่ใช้กันโดยทั่วไปคือ
- อักษรกรีกใช้สำหรับส่วนประกอบของพื้นที่และเวลา โดยดัชนีจะมีค่าเป็น 0, 1, 2 หรือ 3 (ตัวอักษรที่ใช้บ่อย ได้แก่,เป็นต้น)
- อักษรละตินใช้สำหรับส่วนประกอบเชิงพื้นที่เท่านั้น โดยดัชนีจะมีค่าเป็น 1, 2 หรือ 3 (ตัวอักษรที่ใช้บ่อย ได้แก่,,...),
โดยทั่วไป ดัชนีสามารถครอบคลุมเซตดัชนี ใดๆ ก็ได้ รวมถึงเซตอนันต์สิ่งนี้ไม่ควรสับสนกับธรรมเนียมที่คล้ายคลึงกันทางด้านการพิมพ์ซึ่งใช้เพื่อแยกความแตกต่างระหว่างสัญกรณ์ดัชนีเทนเซอร์ และ สัญกรณ์ดัชนีเชิงนามธรรมที่ไม่ขึ้นกับฐานซึ่งมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดแต่แตกต่างกัน
ดัชนีที่นำมาบวกกันเรียกว่าดัชนีผลรวมในกรณีนี้คือ ""เรียกอีกอย่างว่าดัชนีจำลองเนื่องจากสัญลักษณ์ใดๆ ก็สามารถใช้แทนได้""โดยไม่เปลี่ยนแปลงความหมายของคำ (โดยมีเงื่อนไขว่าต้องไม่ซ้ำซ้อนกับสัญลักษณ์ดัชนีอื่นในคำเดียวกัน)"
ดัชนีที่ไม่ถูกรวมเข้าด้วยกันเรียกว่าดัชนีอิสระและควรปรากฏเพียงครั้งเดียวต่อพจน์ หากดัชนีดังกล่าวปรากฏ มักจะปรากฏในพจน์เว้นพจน์ในสมการด้วย ตัวอย่างของดัชนีอิสระคือ "" ในสมการซึ่งเทียบเท่ากับสมการ.
แอปพลิเคชัน
สัญกรณ์ของไอน์สไตน์สามารถนำไปใช้ได้ในรูปแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อย โดยทั่วไป ดัชนีแต่ละตัวจะปรากฏหนึ่งครั้งในตำแหน่งตัวยก (superscript) และหนึ่งครั้งในตำแหน่งตัวห้อย (subscript) ในเทอม อย่างไรก็ตาม ธรรมเนียมนี้สามารถนำไปใช้กับดัชนีที่ซ้ำกันใดๆ ภายในเทอมได้โดยทั่วไป[ 2 ]เมื่อจัดการกับ เวกเตอร์ โคแวเรียนต์และคอนทราแวเรียนต์ซึ่งตำแหน่งของดัชนีบ่งบอกถึงประเภทของเวกเตอร์ กรณีแรกมักจะใช้ได้ เวกเตอร์โคแวเรียนต์สามารถหดตัวได้เฉพาะกับเวกเตอร์คอนทราแวเรียนต์ ซึ่งสอดคล้องกับการรวมผลคูณของสัมประสิทธิ์ ในทางกลับกัน เมื่อมีฐานพิกัดคงที่ (หรือเมื่อไม่พิจารณาเวกเตอร์พิกัด) อาจเลือกใช้เฉพาะตัวห้อยได้ ดู§ ตัวยกและตัวห้อยเทียบกับตัวห้อยอย่างเดียวด้านล่าง
การแสดงผลแบบเวกเตอร์
ตัวยกและตัวห้อย เทียบกับการใช้เฉพาะตัวห้อย
ในแง่ของความแปรปรวนร่วมและความแปรปรวนผกผันของเวกเตอร์
- ดัชนีบนแสดงถึงส่วนประกอบของเวกเตอร์คอนทราเวเรียนต์ ( เวกเตอร์ )
- ดัชนีที่ต่ำกว่าแสดงถึงส่วนประกอบของ เวกเตอร์ ร่วมแปร ( โคเวกเตอร์ )
พวกมัน แปลงแบบคอนทราแวเรียนต์หรือโคแวเรียนต์ตามลำดับ โดยสัมพันธ์กับการเปลี่ยนฐาน
เพื่อเป็นการยอมรับข้อเท็จจริงนี้ สัญลักษณ์ต่อไปนี้จึงใช้สัญลักษณ์เดียวกันทั้งสำหรับเวกเตอร์หรือโคเวกเตอร์และส่วนประกอบ ของมัน ดังนี้:
ที่ไหนคือเวกเตอร์และคือส่วนประกอบของมัน (ไม่ใช่ตัวมันเอง)โคเวกเตอร์ที่ th),คือโคเวกเตอร์และคือส่วนประกอบของมัน องค์ประกอบเวกเตอร์พื้นฐานแต่ละเวกเตอร์คอลัมน์และองค์ประกอบฐานโคเวกเตอร์แต่ละแถวเป็นโคเวกเตอร์ (ดูเพิ่มเติมในหัวข้อ§ คำอธิบายเชิงนามธรรม ; ความเป็นคู่ด้านล่าง และตัวอย่าง )
ในกรณีที่มีรูปแบบที่ไม่เสื่อมสลาย (ไอโซมอร์ฟิซึม)ตัวอย่างเช่น ในเมตริกแบบรีมันน์หรือเมตริกแบบมินคอฟสกีเราสามารถเพิ่มและลดดัชนีได้
ฐานจะให้รูปแบบดังกล่าว (ผ่านฐานคู่ ) ดังนั้นเมื่อทำงานกับด้วยเมตริกแบบยุคลิดและฐานออร์โทนอร์มอล คงที่ เราสามารถเลือกที่จะทำงานโดยใช้เพียงตัวห้อยได้
อย่างไรก็ตาม หากเปลี่ยนพิกัด วิธีที่สัมประสิทธิ์เปลี่ยนแปลงจะขึ้นอยู่กับความแปรปรวนของวัตถุ และเราไม่สามารถละเลยความแตกต่างนี้ได้ โปรดดูที่ความแปรปรวนร่วมและความแปรปรวนผกผันของเวกเตอร์
เทคนิคช่วยจำ
ในตัวอย่างข้างต้น เวกเตอร์จะถูกแทนด้วยเมทริกซ์ (เวกเตอร์คอลัมน์) ในขณะที่โคเวกเตอร์แสดงเป็นเมทริกซ์ (เวกเตอร์ร่วมแถว)
เมื่อใช้รูปแบบเวกเตอร์คอลัมน์:
- " ดัชนีขาขึ้น จะเคลื่อนตัวจากขา ขึ้นไปขาลง; ดัชนีขาลงจะเคลื่อนตัวจากซ้ายไปขวา"
- " เทนเซอร์ โคแวริแอนต์คือ เวกเตอร์ แถวที่มีดัชนีอยู่ด้านล่าง ( โค-แถว-ล่าง )"
- โคเวกเตอร์คือเวกเตอร์แถว:ดังนั้น ดัชนีด้านล่างจะบ่งบอกว่าคุณอยู่ในคอลัมน์ ใด
- เวกเตอร์คอนทราเวเรียนท์คือเวกเตอร์คอลัมน์:ดังนั้น ดัชนีบนสุดจึงบ่งบอกว่าคุณอยู่ในแถว ใด
คำอธิบายบทคัดย่อ
ข้อดีของสัญกรณ์ของไอน์สไตน์คือ สามารถแทน ปริมาณ ที่ไม่เปลี่ยนแปลงได้ด้วยสัญลักษณ์ที่เรียบง่าย
ในทางฟิสิกส์ ปริมาณสเกลาร์จะไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลงฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณสเกลาร์ลอเรนซ์จะไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การแปลงลอเรนซ์ แต่พจน์แต่ละตัวในผลรวมนั้นไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อเปลี่ยนฐานส่วนประกอบของเวกเตอร์จะเปลี่ยนไปโดยการแปลงเชิงเส้นที่อธิบายโดยเมทริกซ์ นี่ทำให้ไอน์สไตน์เสนอข้อตกลงว่า ดัชนีที่ซ้ำกันหมายถึงการหาผลรวม
ส่วนโคเวกเตอร์นั้น จะเปลี่ยนแปลงไปตามเมทริกซ์ผกผันซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อรับประกันว่าฟังก์ชันเชิงเส้นที่เกี่ยวข้องกับโคเวกเตอร์ ซึ่งก็คือผลรวมข้างต้นนั้น จะเหมือนเดิมไม่ว่าฐานจะเป็นอะไรก็ตาม
คุณค่าของแบบแผนของไอน์สไตน์คือสามารถนำไปใช้กับปริภูมิเวกเตอร์ อื่นๆ ที่สร้างขึ้นจากแบบแผนเดียวกันได้โดยใช้ผลคูณเทนเซอร์และความเป็นคู่กันตัวอย่างเช่นผลคูณเทนเซอร์ของเมื่อพิจารณาตัวเอง จะมีฐานประกอบด้วยเทนเซอร์ในรูปแบบเทนเซอร์ใดๆในสามารถเขียนได้ดังนี้:
พื้นที่สองส่วนของมีพื้นฐานซึ่งปฏิบัติตามกฎ ที่ไหนคือเดลต้าโครเนกเกอร์เช่น พิกัดแถว/คอลัมน์บนเมทริกซ์จะสอดคล้องกับดัชนีบน/ล่างในผลคูณเทนเซอร์
การดำเนินการทั่วไปในสัญลักษณ์นี้
ในสัญกรณ์ของไอน์สไตน์ การอ้างอิงองค์ประกอบตามปกติสำหรับแถวที่ - และคอลัมน์ที่ - ของเมทริกซ์กลายเป็นจากนั้นเราสามารถเขียนการดำเนินการต่อไปนี้ในสัญกรณ์ของไอน์สไตน์ได้ดังนี้
ผลิตภัณฑ์ภายใน
ผลคูณภายในของเวกเตอร์สองตัวคือผลรวมของผลคูณของส่วนประกอบที่สอดคล้องกันของเวกเตอร์ทั้งสอง โดยที่ดัชนีของเวกเตอร์ตัวหนึ่งถูกลดระดับลง (ดู#การเพิ่มและลดดัชนี ): ในกรณีของฐานออร์โทนอร์มอลเราจะได้ว่าและนิพจน์นั้นจะลดรูปเหลือดังนี้:
ผลคูณเวกเตอร์แบบไขว้
ในสามมิติผลคูณเชิงเวกเตอร์ของเวกเตอร์สองตัวเทียบกับ ฐานเชิงตั้งฉาก ปกติที่มีทิศทางเป็นบวก หมายความว่าสามารถแสดงได้ดังนี้:
ที่นี่,คือสัญลักษณ์ Levi-Civitaเนื่องจากฐานเป็นแบบตั้งฉากปกติ การยกดัชนีขึ้นไม่เปลี่ยนแปลงค่าของเมื่อพิจารณาในฐานะเทนเซอร์
การคูณเมทริกซ์กับเวกเตอร์
ผลคูณของเมทริกซ์ด้วยเวกเตอร์คอลัมน์เป็น: เทียบเท่ากับ
นี่เป็นกรณีพิเศษของการคูณเมทริกซ์
การคูณเมทริกซ์
ผลคูณเมทริกซ์ของเมทริกซ์สองเมทริกซ์และเป็น:
เทียบเท่ากับ
ติดตาม
สำหรับเมทริกซ์จัตุรัสค่าเทรซคือผลรวมขององค์ประกอบในแนวทแยง ดังนั้นจึงเป็นผลรวมเหนือดัชนีร่วม.
ผลิตภัณฑ์ภายนอก
ผลคูณภายนอกของเวกเตอร์คอลัมน์โดยเวกเตอร์แถวส่งผลให้เมทริกซ์:
เนื่องจากและเนื่องจากตัวเลขทั้งสองแทน ดัชนี ที่แตกต่างกัน จึงไม่มีการบวก และดัชนีจะไม่ถูกกำจัดออกไปโดยการคูณ
การปรับขึ้นและปรับลงดัชนี
เมื่อกำหนดเทนเซอร์ มาแล้ว เราสามารถยกกำลังหรือลดกำลังดัชนีได้โดยการยุบเทนเซอร์นั้นด้วย เทน เซอร์เมตริกตัวอย่างเช่น การนำเทนเซอร์มาใช้เราสามารถลดดัชนีลงได้:
หรืออาจจะปรับดัชนีขึ้นก็ได้:
ดูเพิ่มเติม
หมายเหตุ
- หลักการนี้ใช้ได้เฉพาะกับดัชนีตัวเลขเท่านั้น สำหรับ ดัชนีเชิงนามธรรมสถานการณ์จะตรงกันข้ามเวกเตอร์เองจะมีดัชนีเชิงนามธรรมบน และโคเวกเตอร์จะมีดัชนีเชิงนามธรรมล่าง ดังตัวอย่างในบทนำ ของบทความนี้ องค์ประกอบของฐานเวกเตอร์อาจมีทั้งดัชนี ตัวเลขล่างและดัชนีเชิงนามธรรม บน
บรรณานุกรม
- Kuptsov, LP (2001) [1994], "กฎของไอน์สไตน์" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press.
ลิงก์ภายนอก
- Rawlings, Steve (2007-02-01). "การบรรยายครั้งที่ 10 – ข้อตกลงการหาผลรวมของไอน์สไตน์และเอกลักษณ์ของเวกเตอร์"มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด. เก็บถาวรจากต้นฉบับเมื่อ 2017-01-06 . สืบค้นเมื่อ2008-07-02 .
- "การคำนวณเวกเตอร์ในรูปแบบดัชนี (หลักการบวกของไอน์สไตน์)" (PDF )
- "ทำความเข้าใจ einsum ของ NumPy " Stack Overflow