尋犀記 (15)

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GRSS relativity 014

倘若,定義Kronecker xi 為:

ξʲᵢ = ∂x̄ʲ/∂xⁱ ∂xⁱ/∂x̄ʲ

此定義僅適用於單一維度的座標轉換之情況,即,唯當x̄ʲ = fʲ(xʲ) 時,其座標對座標偏微分的「正」「逆」函數相乘才會恆等於1。

然而,在多維之情況,也就是:當x̄ʲ = fʲ(xⁱ) = fʲ(x¹, x², …, xⁿ) 時,可綜合座標對座標的偏微分、得到Jacobian 的「正」「逆」矩陣,分別為:[∂x̄ʲ/∂xⁱ]、[∂xⁱ/∂x̄ᵏ],此時,需注意者是,在「正」「逆」矩陣中,對應指標的偏導數間、並不必然為「分子」與「分母」之倒數關係,二者相乘不恆等於1,而唯有整體「正」矩陣與「逆」矩陣相乘的內積、才會恆等於單位矩陣。

此可表示為:

J⋅J⁻¹ = [∂x̄ʲ/∂xⁱ] · [∂xⁱ/∂x̄ᵏ] = [∑ᵢ ∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ] = I

式中,方括號[] 表「樁」矩陣。

以是之故,應將Kronecker delta 改以獨立的j、k 指標定義,且視i 為用以連結j、k 二變數的外來啞指標 (dummy index),再將所有的偏導數乘積求和,方為正確,此即:

δʲₖ = ∑ᵢ ∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ

依鏈鎖律 (chain rule):

∑ᵢ ∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ = ∂𝑥̄ʲ∕∂𝑥¹ ∂𝑥¹∕∂𝑥̄ᵏ + ∂𝑥̄ʲ∕∂𝑥² ∂𝑥²∕∂𝑥̄ᵏ = ∂𝑥̄ʲ∕∂𝑥̄ᵏ

其中,δʲₖ 為矩陣之分量,而所有j k 指標的偏導數乘積之組合、構成單位矩陣,此即:[δʲₖ] = I。

又,依前節所述,已知:

gᵢ = ∑ⱼ ḡⱼ ∂x̄ʲ/∂xⁱ = ḡ₁ ∂x̄¹/∂xⁱ + ḡ₂ ∂x̄²/∂xⁱ

Vⁱ = ∑ⱼ V̄ʲ ∂xⁱ⁄∂x̄ʲ = V̄¹ ∂xⁱ⁄∂x̄¹ + V̄² ∂xⁱ⁄∂x̄²

式中,gᵢ、Vⁱ、ḡⱼ、V̄ʲ 都是向量的元素、而非向量本身。

將二者內積、則有:

gᵢ·Vⁱ

= ∑ⱼ ḡⱼ ∂x̄ʲ/∂xⁱ · ∑ₖ V̄ᵏ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ

= ∑ᵢ∑ⱼ∑ₖ ḡⱼ V̄ᵏ (∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ)

= ∑ⱼ∑ₖ ḡⱼ V̄ᵏ (∑ᵢ ∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ)

= ∑ⱼ∑ₖ ḡⱼ V̄ᵏ δʲₖ

= ∑ⱼ ḡⱼ V̄ʲ

= g̅ᵢ·V̅ⁱ

前述推導過程中,圓括號() 表示的是分量間的偏導數乘積、而非張量,因而,可將其順序對調、置於後方。

δʲₖ = ∑ᵢ ∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ 類似縮併 (contraction) 運算,藉由對重複指標i 展開之求和、將原本含三指標之乘積、「縮併」為僅餘自由指標j k 的組合,最終得到消去所有j ≠ k 的項之結果;然而,事實上,其並非真正的張量縮併 (tensor contraction) 之運算。

例如,在二維平面中,展開i 指標、並對每一組j k 指標之偏導數乘積求和,表示為三指標(i, j, k) 的組合,具體如下:

當j = 1、k = 1 時,

δ¹₁ = ∂x̄¹⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄¹ + ∂x̄¹⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄¹ = 1

第一項(1, 1, 1),第二項(2, 1, 1),

得到:

ḡ₁ V̄¹ (∂x̄¹⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄¹ + ∂x̄¹⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄¹) = ḡ₁ V̄¹ (1) = ḡ₁ V̄¹

當j = 1、k = 2 時,

δ¹₂ = ∂x̄¹⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄² + ∂x̄¹⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄² = 0

第一項(1, 1, 2),第二項(2, 1, 2),

得到:

ḡ₁ V̄² (∂x̄¹⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄² + ∂x̄¹⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄²) = ḡ₁ V̄² (0) = 0

當j = 2、k = 1 時,

δ²₁ = ∂x̄²⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄¹ + ∂x̄²⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄¹ = 0

第一項(1, 2, 1),第二項(2, 2, 1),

得到:

ḡ₂ V̄¹ (∂x̄²⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄¹ + ∂x̄²⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄¹) = ḡ₂ V̄¹ (0) = 0

當j = 2、k = 2 時,

δ²₂ = ∂x̄²⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄² + ∂x̄²⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄² = 1

第一項(1, 2, 2),第二項(2, 2, 2),

得到:

ḡ₂ V̄² (∂x̄²⁄∂x¹ ∂x¹⁄∂x̄² + ∂x̄²⁄∂x² ∂x²⁄∂x̄²) = ḡ₂ V̄² (1) = ḡ₂ V̄²

將上述四情況之結果加總,即證明:

∑ⱼ∑ₖ ḡⱼ V̄ᵏ δʲₖ = ∑ⱼ ḡⱼ V̄ʲ

其中,所有j ≠ k 的項都等於0。

倘若,此時、定義Kronecker zeta 為:

ζʲₖ = ∂x̄ʲ⁄∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ

而欠缺對於重複指標i 求和的總和符號∑ᵢ,則自由指標(i, j, k) 的組合會有八項,再將其與g、V 相應的j、k 項進行配對,將導致:形式的運算、出現在邏輯上不應存在的項之結果。

亦即:

當i = 1 時,自由指標j k 的組合共有:(1, 1, 1)、(1, 1, 2)、(1, 2, 1)、(1, 2, 2) 四種;

當i = 2 時,自由指標j k 的組合共有:(2, 1, 1)、(2, 1, 2)、(2, 2, 1)、(2, 2, 2) 四種。

雖然,當j k 不一致時,δʲₖ 的值為0,但此結果、係由兩項偏導數的乘積相加後互相抵消所致,而非單項本身即為0。

故,實際上是:

δ¹₁ = (1, 1, 1) + (2, 1, 1) = 1

δ¹₂ = (1, 1, 2) + (2, 1, 2) = 0

δ²₁ = (1, 2, 1) + (2, 2, 1) = 0

δ²₂ = (1, 2, 2) + (2, 2, 2) = 1

而非單獨的:

ζ¹₁ = (1, 1, 1) = (2, 1, 1) = 1

ζ¹₂ = (1, 1, 2) = (2, 1, 2) = 0

ζ²₁ = (1, 2, 1) = (2, 2, 1) = 0

ζ²₂ = (1, 2, 2) = (2, 2, 2) = 1

以致、誤以為有:

gᵢ·Vⁱ

= ∑ⱼ ḡⱼ ∂x̄ʲ/∂xⁱ · ∑ₖ V̄ᵏ ∂xⁱ⁄∂x̄ᵏ

= (ḡ₁ ∂x̄¹/∂xⁱ + ḡ₂ ∂x̄²/∂xⁱ) · (V̄¹ ∂xⁱ⁄∂x̄¹ + V̄² ∂xⁱ⁄∂x̄²)

= ḡ₁ V̄¹ (∂x̄¹/∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄¹) + ḡ₂ V̄² (∂x̄²/∂xⁱ ∂xⁱ⁄∂x̄²)

= ḡ₁ V̄¹ (1, 1, 1) + ḡ₁ V̄¹ (2, 1, 1) + ḡ₂ V̄² (1, 2, 2) + ḡ₂ V̄² (2, 2, 2)

= ḡ₁ V̄¹ (1) + ḡ₁·V̄¹ (1) + ḡ₂ V̄² (1) + ḡ₂ V̄² (1)

= ḡ₁ V̄¹ + ḡ₁ V̄¹ + ḡ₂ V̄² + ḡ₂ V̄²

又因前述的邏輯錯誤,遂使g、V 的j k 組合、不能藉由中介指標i 展開之加總、縮併而消去所有j ≠ k 的項,亦造成j = k 的項被重複計算二次之結果。

GRSS relativity 015

任意向量V、可表為其分量乘以座標基底向量之總和:

V = ∑ᵢ Vⁱ eᵢ = V¹ e₁ + V² e₂

其與自身內積、為:

V·V

= ∑ᵢ Vⁱ eᵢ · ∑ⱼ Vʲ eⱼ

= ∑ᵢ∑ⱼ Vⁱ Vʲ (eᵢ·eⱼ)

= V¹ V¹ (e₁·e₁) + V¹ V² (e₁·e₂) + V² V¹ (e₂·e₁) + V² V² (e₂·e₂)

定義基底向量的內積eᵢ·eⱼ為度量張量 (metric tensor) g 之分量:

eᵢ·eⱼ = gᵢⱼ

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