Алгебра phys 2 ноябрь–декабрь — различия между версиями
Goryachko (обсуждение | вклад) |
Goryachko (обсуждение | вклад) |
||
Строка 80: | Строка 80: | ||
<li>Пр.-во эрмитовых матриц размера <math>2\times2</math>: <math>\mathrm{Herm}(2)=\overline{\mathrm S}\mathrm{Mat}(2,\mathbb C)</math> — <math>4</math>-мерное вект. пр. над <math>\mathbb R</math>. Матрицы Паули: <math>\sigma_1=\bigl(\begin{smallmatrix}0&1\\1&0\end{smallmatrix}\bigr)</math>, <math>\sigma_2=\bigl(\begin{smallmatrix}0&-\mathrm i\\\mathrm i&0\end{smallmatrix}\bigr)</math>, <math>\sigma_3=\bigl(\begin{smallmatrix}1&0\\0&-1\end{smallmatrix}\bigr)</math>. | <li>Пр.-во эрмитовых матриц размера <math>2\times2</math>: <math>\mathrm{Herm}(2)=\overline{\mathrm S}\mathrm{Mat}(2,\mathbb C)</math> — <math>4</math>-мерное вект. пр. над <math>\mathbb R</math>. Матрицы Паули: <math>\sigma_1=\bigl(\begin{smallmatrix}0&1\\1&0\end{smallmatrix}\bigr)</math>, <math>\sigma_2=\bigl(\begin{smallmatrix}0&-\mathrm i\\\mathrm i&0\end{smallmatrix}\bigr)</math>, <math>\sigma_3=\bigl(\begin{smallmatrix}1&0\\0&-1\end{smallmatrix}\bigr)</math>. | ||
<li><u>Теорема о свойствах пространства <b>Herm(2)</b>.</u><br><i>(1) Пусть <math>i,j\in\{1,2,3\}</math>; тогда <math>\sigma_i\,\sigma_j=\delta_{i,j}\,\mathrm{id_2}+\sum_{k=1}^3\varepsilon_{i,j,k}\,\mathrm i\,\sigma_k</math> и <math>\,\mathrm{tr}\,(\sigma_i\,\sigma_j)=2\,\delta_{i,j}</math>.<br>(2) Пусть <math>\Biggl(\begin{smallmatrix}l^0\\l^1\\l^2\\l^3\end{smallmatrix}\Biggr),\Biggl(\begin{smallmatrix}m^0\\m^1\\m^2\\m^3\end{smallmatrix}\!\Biggr)\!\in\mathbb R^4</math>, <math>l=l^0\,\mathrm{id}_2+\sum_{i=1}^3l^i\sigma_i</math> и <math>m=m^0\,\mathrm{id}_2+\sum_{i=1}^3m^i\sigma_i</math>; тогда <math>l=\Bigl(\begin{smallmatrix}l^0+l^3&l^1-l^2\,\mathrm i\!\\l^1+l^2\,\mathrm i&l^0-l^3\end{smallmatrix}\Bigr)</math> и <math>\bigl(\mathrm{tr}\,l\;\mathrm{tr}\,m-\mathrm{tr}\,(l\,m)\bigr)/2={\Biggl(\begin{smallmatrix}l^0\\l^1\\l^2\\l^3\end{smallmatrix}\Biggr)\!\!}^\mathtt T\eta\Biggl(\begin{smallmatrix}m^0\\m^1\\m^2\\m^3\end{smallmatrix}\!\Biggr)</math>.<br>(3) Форма <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{Herm}(2)\times\mathrm{Herm}(2)&\to\mathbb R\\(l,m)&\mapsto\bigl(\mathrm{tr}\,l\;\mathrm{tr}\,m-\mathrm{tr}\,(l\,m)\bigr)/2\end{align}\!\biggr)</math> опр. на <math>\,\mathrm{Herm}(2)</math> структ. пр.-ва Минковского, и <math>(\mathrm{id_2},\sigma_1,\sigma_2,\sigma_3)\in\mathrm{OnOB}(\mathrm{Herm}(2))</math>.<br>(4) Обозначая через <math>\,\mathrm{Herm}(2)_0</math> пространство <math>\langle\mathrm{id}_2\rangle^\perp</math>, имеем след. факты: <math>\mathrm{Herm}(2)_0=\mathrm{Herm}(2)\cap\mathfrak{sl}(2,\mathbb C)=\mathrm i\;\mathfrak{su}(2)</math> и сужение формы из п.-та (3),<br>взятое с противоположным знаком, определяет на <math>\,\mathrm{Herm}(2)_0</math> структуру евклидова пространства, а также <math>\forall\,u\in\mathrm{Herm}(2)_0\,\bigl(u^2=\|u\|^2\,\mathrm{id}_2\bigr)</math>.</i> | <li><u>Теорема о свойствах пространства <b>Herm(2)</b>.</u><br><i>(1) Пусть <math>i,j\in\{1,2,3\}</math>; тогда <math>\sigma_i\,\sigma_j=\delta_{i,j}\,\mathrm{id_2}+\sum_{k=1}^3\varepsilon_{i,j,k}\,\mathrm i\,\sigma_k</math> и <math>\,\mathrm{tr}\,(\sigma_i\,\sigma_j)=2\,\delta_{i,j}</math>.<br>(2) Пусть <math>\Biggl(\begin{smallmatrix}l^0\\l^1\\l^2\\l^3\end{smallmatrix}\Biggr),\Biggl(\begin{smallmatrix}m^0\\m^1\\m^2\\m^3\end{smallmatrix}\!\Biggr)\!\in\mathbb R^4</math>, <math>l=l^0\,\mathrm{id}_2+\sum_{i=1}^3l^i\sigma_i</math> и <math>m=m^0\,\mathrm{id}_2+\sum_{i=1}^3m^i\sigma_i</math>; тогда <math>l=\Bigl(\begin{smallmatrix}l^0+l^3&l^1-l^2\,\mathrm i\!\\l^1+l^2\,\mathrm i&l^0-l^3\end{smallmatrix}\Bigr)</math> и <math>\bigl(\mathrm{tr}\,l\;\mathrm{tr}\,m-\mathrm{tr}\,(l\,m)\bigr)/2={\Biggl(\begin{smallmatrix}l^0\\l^1\\l^2\\l^3\end{smallmatrix}\Biggr)\!\!}^\mathtt T\eta\Biggl(\begin{smallmatrix}m^0\\m^1\\m^2\\m^3\end{smallmatrix}\!\Biggr)</math>.<br>(3) Форма <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{Herm}(2)\times\mathrm{Herm}(2)&\to\mathbb R\\(l,m)&\mapsto\bigl(\mathrm{tr}\,l\;\mathrm{tr}\,m-\mathrm{tr}\,(l\,m)\bigr)/2\end{align}\!\biggr)</math> опр. на <math>\,\mathrm{Herm}(2)</math> структ. пр.-ва Минковского, и <math>(\mathrm{id_2},\sigma_1,\sigma_2,\sigma_3)\in\mathrm{OnOB}(\mathrm{Herm}(2))</math>.<br>(4) Обозначая через <math>\,\mathrm{Herm}(2)_0</math> пространство <math>\langle\mathrm{id}_2\rangle^\perp</math>, имеем след. факты: <math>\mathrm{Herm}(2)_0=\mathrm{Herm}(2)\cap\mathfrak{sl}(2,\mathbb C)=\mathrm i\;\mathfrak{su}(2)</math> и сужение формы из п.-та (3),<br>взятое с противоположным знаком, определяет на <math>\,\mathrm{Herm}(2)_0</math> структуру евклидова пространства, а также <math>\forall\,u\in\mathrm{Herm}(2)_0\,\bigl(u^2=\|u\|^2\,\mathrm{id}_2\bigr)</math>.</i> | ||
− | <li><u>Теорема об описании бустов и поворотов в пространстве <b>Herm(2)</b>.</u> <i>Пусть <math>\varphi\in\mathbb R</math>, <math>u\in\mathrm{Herm}(2)_0</math> и <math>\|u\|=1</math>; тогда <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{Herm}(2)&\to\mathrm{Herm}(2)\\l&\mapsto\mathrm e^{\ | + | <li><u>Теорема об описании бустов и поворотов в пространстве <b>Herm(2)</b>.</u> <i>Пусть <math>\varphi\in\mathbb R</math>, <math>u\in\mathrm{Herm}(2)_0</math> и <math>\|u\|=1</math>; тогда <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{Herm}(2)&\to\mathrm{Herm}(2)\\l&\mapsto\mathrm e^{\frac\varphi2u}\,l\,\mathrm e^{\frac\varphi2u}\!\end{align}\!\biggr)</math> — буст<br>с быстротой <math>\varphi</math> вдоль оси с направляющим вектором <math>u</math>, и <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{Herm}(2)&\to\mathrm{Herm}(2)\\l&\mapsto\mathrm e^{-\frac\varphi2\mathrm i\,u}\,l\,\mathrm e^{\frac\varphi2\mathrm i\,u}\!\end{align}\!\biggr)</math> — поворот на угол <math>\varphi</math> вокруг оси с направляющим вектором <math>u</math>.</i> |
− | <li>Спинорные | + | <li>Спинорные предст.-я: <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{SL}(2,\mathbb C)/\{\mathrm{id}_2,-\mathrm{id}_2\}&\to\mathrm{SO}^+(\mathrm{Herm}(2))\\\{g,-g\}&\mapsto\bigl(\,l\mapsto g\,l\,\overline g^\mathtt T\,\bigr)\end{align}\!\biggr)</math> и <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{SU}(2)/\{\mathrm{id}_2,-\mathrm{id}_2\}&\to\mathrm{SO}(\mathrm{Herm}(2)_0)\\\{g,-g\}&\mapsto\bigl(\,l\mapsto g\,l\,g^{-1}\bigr)\end{align}\!\biggr)</math> — изоморфизмы групп (без док.-ва).</ul> |
<h3>3.7 Многообразия (часть 2)</h3> | <h3>3.7 Многообразия (часть 2)</h3> | ||
− | <!--<h5>3.7.1 | + | <!--<h5>3.7.1 Тензорные поля и дифференциальные формы</h5> |
<ul><li>Глобальная <math>n</math>-мерная система координат на <math>M</math> — биекция между <math>M</math> и открытым подмн.-вом в <math>\mathbb R^n</math>; соглашение: глобальность далее подразумевается. | <ul><li>Глобальная <math>n</math>-мерная система координат на <math>M</math> — биекция между <math>M</math> и открытым подмн.-вом в <math>\mathbb R^n</math>; соглашение: глобальность далее подразумевается. | ||
<li>Отнош.-е согласованности: <math>\tilde\alpha\circ\alpha^{-1}</math> — диффеоморфизм; <math>n</math>-мерная гладкая структура — класс согласованности <math>n</math>-мерных систем координат (атлас). | <li>Отнош.-е согласованности: <math>\tilde\alpha\circ\alpha^{-1}</math> — диффеоморфизм; <math>n</math>-мерная гладкая структура — класс согласованности <math>n</math>-мерных систем координат (атлас). |
Версия 05:00, 13 ноября 2017
3 Билинейная и полилинейная алгебра
|
3.4 Тензорные произведения векторных пространств
3.4.1 Определения и конструкции, связанные с тензорами
- Тензорное произведение пространств: , где и — подпространство полилинеаризации.
- Разложимый тензор: . Ранг тензора : есть миним. среди всех таких , что равен сумме разл. тензоров.
- Лемма к теореме об универсальности тензорного произведения. Пусть — поле, и — векторные простр.-ва над полем ; тогда
и отображение — полилинейный оператор. - Теорема об универсальности тензорного произведения. Пусть — поле, и — вект. простр.-ва над полем ; тогда для любых
существует единств. такой лин. оператор , что для любых выполнено
(и, значит, — изоморфизм вект. пространств). - Теорема о базисе тензорного произведения. Пусть — поле, , — векторные пространства над полем и — базисы
пространств соответственно; тогда все тензоры , где , попарно различны и вместе образуют базис
пространства , а также, если , то . - Тензорное произв.-е тензоров: . Тензорное произв.-е линейных операторов (, ): .
- Первая теорема о канонических изоморфизмах. Пусть — поле и — векторные пространства над полем ; тогда ,
и . - Вторая теорема о канонических изоморфизмах. Пусть — поле и — векторные пространства над полем ; тогда
(1) — инъективный линейный оператор и, если , то это отображ.-е — изоморфизм вект. простр.-в;
(2) — инъект. лин. оператор и, если , то это отображ.-е — изоморфизм вект. простр.-в.
3.4.2 Тензоры типа и тензорная алгебра
- Пространство тензоров типа над : . Примеры: , , , , .
- Примеры: — простр.-во структур алгебры на , — простр.-во структур коалгебры на , .
- Теорема о канонических изоморфизмах для тензоров типа (p,q). Пусть — поле, — вект. простр.-во над полем , и ; тогда
(1) — изоморфизм векторных пространств;
(2) — изоморфизм векторных пространств;
(3) — изоморфизм вект. простр.-в. - Тензоры типа в координ.-х: . Примеры: , , .
- Примеры: — метрический тензор, — форма объема, связанная с упоряд. базисом .
- Преобразование при замене базиса: . Примеры: , .
- Тензорная алгебра над : — ассоциативная -алгебра с (в опр.-и умнож.-я используются изоморфизмы ).
- Теорема о тензорной алгебре. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда множество
— базис алгебры , и для любых элементов и этого базиса
выполнено (и, значит, отображение, продолжающее по линейности заданное
на базисе отображение , — изоморфизм алгебр с ).
3.4.3 Операции над тензорами
- Тензоры с пропусками индексов. Тензорное пр.-е тензоров в коорд.-х: . Кронекерово пр.-е матриц.
- Перестановка компонент: . Действие группы . Перест.-ка в коорд.-х: .
- Свертка по -й и -й позициям: .
- Свертка по -й и -й позициям в координатах: . Теорема о свертках тензоров малой валентности.
Теорема о свертках тензоров малой валентности. Пусть — поле, — векторное пространство над полем и ; тогда
(1) для любых , и выполнено , , и ;
(2) для любых и выполнено и . - Теорема об обратном метрическом тензоре. Пусть — поле, — вект. пр.-во над , , и форма невырождена; тогда
(1) для любых выполнено (тензор — обратный тензор по отношению к тензору );
(2) под действием канонического изоморфизма тензор переходит в форму ;
(3) для любых выполнено . - Опускание с -й поз.-и на -ю: .
- Подъем с -й позиции на -ю: .
- Опускание и подъем индексов в коорд.-х: и .
3.5 Симметрические и внешние степени векторных пространств
3.5.1 Определения и конструкции, связанные с симметричными и антисимметричными тензорами
- Симметрическая степень: . Внешняя степень: .
- Теорема о симметричных и антисимметричных ковариантных тензорах и полилинейных формах. Пусть — поле, , — вект. пр.-во над ,
и ; обозначим через канонический изоморфизм ; тогда
(1) (напоминание: и );
(2) и (и, значит, и ). - Оператор симметризации: . Оператор альтернирования: . Лемма о симметризации и альтернировании.
Лемма о симметризации и альтернировании. Пусть — поле, , — векторное пространство над полем и ; тогда
(1) для любых выполнено и ;
(2) для любых выполнено и для любых выполнено ;
(3) и , а также и (и, значит, — проектор на и — проектор на ). - Симметрич. и внешнее произв. векторов: и . Пример: .
- Лемма к теореме об универсальности симметрической степени и внешней степени. Пусть — поле, , — в. пр. над и ; тогда
(1) и отображение — симметричный полилинейный оператор;
(2) и отображение — антисимметричный полилинейный оператор. - Теорема об универсальности симметрической степени и внешней степени. Пусть — поле, , — вект. пр.-ва над и ; тогда
(1) для любых существует единств. такой линейный оператор , что для любых выполнено
(и, значит, — изоморфизм векторных пространств);
(2) для любых существует единств. такой линейный оператор , что для любых выполнено
(и, значит, — изоморфизм векторных пространств). - Теорема о базисе симметрической степени и внешней степени. Пусть — поле, , — векторное пространство над полем , ,
и ; тогда
(1) все тензоры , где и , попарно различны и вместе образуют базис пространства ;
(2) все тензоры , где и , попарно различны и вместе образуют базис пространства ;
(3) и . - Симметрич. и внешняя степени лин. оператора (): и .
3.5.2 Симметрическая алгебра и внешняя алгебра
- Симметрическое произв.-е и внешнее произв.-е тензоров (, ): и .
- Симметриз.-я и альтерн.-е в коорд.: и .
- Симметрическое и внешнее произв. в коорд.: и .
- Теорема о симметрическом произведении и внешнем произведении тензоров. Пусть — поле, , — векторное простр.-во над полем ,
, и , , ; тогда
(1) и ;
(2) и ;
(3) и
(симметрическое произведение ассоциативно и внешнее произведение ассоциативно);
(4) и ;
(5) и (симметрическое произведение коммутативно и внешнее произведение суперкоммутативно). - Симметрическая алгебра (алгебра симметричных контравариантных тензоров) над : — ассоциативная коммутативная -алгебра с .
- Внешняя алгебра (алгебра антисимметричных контравариантных тенз.-в) над : — ассоциативная суперкоммутативная -алгебра с .
- Теорема о симметрической алгебре и внешней алгебре. Пусть — поле, , — вект. пр.-во над , и ; тогда
(1) — базис алгебры , и для любых элементов и этого
базиса выполнено , где числа суть числа , упоряд. по неубыванию;
(2) — базис алгебры , и для любых элементов и
этого базиса выполнено , где числа
суть числа , упорядоченные по возрастанию.
3.6 Геометрия в векторных пространствах над или (часть 2)
3.6.1 Объем, векторное произведение, оператор Ходжа
- Каноническая форма объема псевдоевклид. пр.-ве с ориентацией (): (если , то ).
- Корректность опр.-я объема. Объем в коорд.: . Лемма об объеме и матрице Грама.
Лемма об объеме и матрице Грама. Пусть — псевдоевклид. пр.-во с ориентацией, , , и ; тогда
и, если попарно ортогональны, то . - Неотрицат. объем в евкл. пр.-ве: в , если независимы; иначе .
- Теорема о неотрицательном объеме в евклидовом пространстве. Пусть — евклидово пространство, ,
и ; тогда
(1) ;
(2) если , то . - Вект. произв.-е в псевдоевкл. пр.-ве с ориент.: ().
- Вект. произведение в координатах: . Теорема о векторном произведении.
Теорема о векторном произведении. Пусть — евклидово пространство с ориентацией, и ; тогда
(1) след. утв.-я эквивалентны: (у1) векторы независимы, (у2) и (у3) ;
(2) и . - Оператор Ходжа в псевдоевкл. пр.-ве с ориент.: (здесь ).
- Пример: . Лемма об операторе Ходжа в координатах. Теорема об операторе Ходжа и внешнем произведении.
Лемма об операторе Ходжа в координатах. Пусть — псевдоевклид. пр.-во с ориент., , , и ; тогда
(1) для любых и выполнено ;
(2) для любых и выполнено , где числа
суть числа из множества , упорядоченные по возрастанию (в частности, и ).Теорема об операторе Ходжа и внешнем произведении. Пусть — псевдоевкл. пр.-во с ориент., , и ; тогда
(1) для любых выполнено (и, значит, — изоморфизм векторных простр.-в);
(2) для любых выполнено , где (в координатах );
(3) для любых выполнено ;
(4) если , то для любых выполнено .
3.6.2 Специальная ортохронная группа Лоренца
- Матричная группа Лоренца: , где . Двумерная сфера: ().
- Теорема о свойствах группы O(1,3).
(1) Пусть ; тогда , а также .
(2) Пусть и ; введем следующие обозначения: (), (),
, () и ; тогда , а также
и .
(3) — сюръективный гомоморфизм групп, и — трансверсаль слоев этого гомоморфизма.
(4) Обозначая через ядро гомоморфизма из п.-та (3), имеем след. факты: и
. - Матричная специальная ортохронная группа Лоренца: . Бусты: . Повороты: .
- Пр.-во Минковского — псевдоевкл. пр.-во сигнатуры ; (это опр.-е не завис. от выбора базиса).
- Пр.-во эрмитовых матриц размера : — -мерное вект. пр. над . Матрицы Паули: , , .
- Теорема о свойствах пространства Herm(2).
(1) Пусть ; тогда и .
(2) Пусть , и ; тогда и .
(3) Форма опр. на структ. пр.-ва Минковского, и .
(4) Обозначая через пространство , имеем след. факты: и сужение формы из п.-та (3),
взятое с противоположным знаком, определяет на структуру евклидова пространства, а также . - Теорема об описании бустов и поворотов в пространстве Herm(2). Пусть , и ; тогда — буст
с быстротой вдоль оси с направляющим вектором , и — поворот на угол вокруг оси с направляющим вектором . - Спинорные предст.-я: и — изоморфизмы групп (без док.-ва).