微分几何入门与广义相对论 I

同胚 流形 Cr性 微分同胚

两个拓扑空间中的函数 f 连续,如果

f:(X,T)→(Y,S)E∈Y,  f−1[E]:={x∈X|f(x)∈E}f∈C0   iff   ∀ O∈S,f−1[O]∈T

两个拓扑空间同胚(homeomorphism),如果存在双射 f 满足

f:(X,T)→(Y,S)f−1:(Y,S)→(X,T)f∈C0  and  f−1∈C0

一个拓扑空间(X,T)是 n 维流形,如果存在开覆盖 {Oα},满足

1.   ∀Oα  ∃ homeo ψα:Oα→Rn2.   ∀Oα,Oβ  s.t.  Oα∪Oβ≠∅  ⇒ ψβ∘ψα−1∈C∞

两个流形 M,M′ 上的函数 f:M→M′∈Cr,如果

∀p∈M,  p∈Oα,  f(p)∈Oβψβ∘f∘ψα−1∈Cr

考虑到同一流形各图相容,Oα,Oβ 可任取。

两个流形 M,M′ 微分同胚(diffeomorphism),如果存在双射 f:M→M′ 满足

f∈C∞,f−1∈C∞

标量场 曲线 矢量场 积分曲线

标量场(或称函数)f:M→R。记流形 M 上的全体光滑(C∞)标量场为 FM。定义 p∈M 处的矢量 v 为映射 v:FM→R,满足

1.  ∀a,b∈R; f,g∈FM     v(af+bg)=av(f)+bv(g)2.  ∀f,g∈FM     v(fg)=f|pv(g)+g|pv(f)

🖊 定理:全体矢量构成一个线性空间 Vp,其维数与流形 M 相同。

取一个覆盖 p 的坐标系 (Oα,ψα)。可以证明,{∂∂xμ} 构成一组 Vp 的基矢。

🖊 定理:设矢量 v=vμ∂∂xμ=v′ν∂∂x′ν,其中 {xμ},{x′ν} 分别为两个坐标系中的坐标。则有 vμ=∂xμ∂x′νv′ν

定义流形上的(C∞类)曲线 C:I→M∈C∞,其中 I 为 R 中的任意区间。记 t∈I,记曲线为 C(t)∈M。定义曲线 C 在 C(t0) 处的切矢 T∈Vp,满足

T(f)=∂(f∘C(t))∂t|C(t0)       or          T=∂∂t

考虑到这其实是一元函数,所以也可以写成 ddt。显然坐标曲线的切矢就是 ∂∂xμ。显然有 ∂∂t=dxμdt∂∂xμ。

矢量场 v:M→Vp (p∈M)。称矢量场 v 是 Cr 类的,若 ∀f∈FM, v|p(f):M→R∈Cr。注意:矢量场不是一个 M→M  的映射,因为每个点的像空间都是不同的 Vp≠Vp′。故普通的 Cr 定义是不对的。

定义对易子(commutator)算符 [u,v] 是矢量场,其中 u,v 是矢量场。满足 [u,v](f)=u(v(f))−v(u(f))。对每个点 p, [u,v]p(f)=up(v(f))−vp(u(f))。

矢量场中的积分曲线满足

∀p=C(t),  vp=∂∂t|p

🖊 C∞ 矢量场中的每一点 p,总存在经过它的积分曲线。

单参微分同胚群

群 (S,×)满足:

  1. 结合律

  2. 幺元

  3. 逆元

流形 M 上的单参微分同胚映射 ϕ:R×M→M 。其中记

ϕ(t,p)≡ϕt(p)≡ϕp(t),  t∈R,p∈M

若满足 ϕt∘ϕs=ϕt+s,则 {ϕt|t∈R} 构成一个群,称为单参微分同胚群,群乘法定义为

ϕt×ϕs=ϕt∘ϕs=ϕt+s

ϕp(t) 是 M 上一条过 p 的曲线,可以通过其在 p 点的切矢定义一个光滑的矢量场。

对偶空间 同构 自然同构

矢量空间 V 的对偶空间定义为 V∗={ω|ω:linear V→R}。其中定义

(ω1+ω2)(v)=ω1v+ω2v(kω)(v)=k⋅ω(v)   (k∈R)

🖊 显然 V∗ 是线性空间且 dim⁡V=dim⁡V∗。

线性空间的同构(isomorphism)映射是一个双射,它与线性运算可交换。

矢量空间 V 的对偶空间 V∗ 的对偶空间 V∗∗ 与 V 有一个自然同构:

iso  ϕ:V→V∗,v↦v∗∗   ∀ω∈V∗   ω(v)=v∗∗(ω)

若 V 中有基底 {eμ} ,称 {eμ∗} 为 V∗ 中的对偶基,若 eμ∗(eν)=δνμ。

🖊 设 V 中的基底 {eμ′} 与 {eν} 满足 eμ′=Aνμeν,则 {e′μ∗} 与 {eν∗} 满足关系式: e′μ∗=(A−T)νμeν∗。

对于流形 M 上 p 点处的矢量空间 Vp,其有对偶空间 Vp∗。可构成 M 上的对偶矢量场。每个标量场 f 对应一个对偶矢量场 df,定义为

dfp(vp)=vp(f)

🖊 取流形 M 中某个坐标系 {xμ},对偶矢量空间有基底 {dxμ}。满足关系 df=∂f∂xμdxμ

张量 张量积 张量积基底

记矢量空间 V 的 (k,l) 型张量的全体为 T(k,l),满足:

∀T∈T(k,l),   T:linear  (V∗)k×Vl→R

张量积定义为:

S∈T(k1,l1)    T∈T(k2,l2)S⊗T∈T(k1+k2,l1+l2)S⊗T(v1∗,...,vk1+k2∗,v1,...vl1+l2)=S(v1∗,...vk1∗,,v1,...vl1)⋅T(vk1+1∗,...vk1+k2∗,,vl1+1,...vl1+l2)

🖊 一般张量积不可交换。

🖊 (k,l) 型张量构成 (dim⁡V)k+l 维线性空间。有基底 ei1⊗...⊗ei+k⊗ej1∗⊗...⊗ejl∗。满足关系(以 (2,1) 型为例):

T=Tμνσ eμ⊗eν⊗eσ∗where   Tμνσ=T(eμ∗,eν∗,eσ)

🖊 当从基底 (eμ∗,eν) 变换到基底 (e′α∗,eβ′) 时,张量分量的变换为(以(2,1)型为例)

T′αβγ=Tμνλ∂

缩并 张量场

缩并运算被定义为

T∈T(k,l)CjiT=T(...,eμ∗,...;...,eμ,...)∈T(k−1,l−1)

其中两个分别为第i个上槽和第j个下槽。

🖊 缩并运算的结果与所选的基矢量无关。

张量场为一个映射 M→TVp(k,l)  (p∈M)。

🖊 当M上的坐标从 (xμ) 到 (x′ν) 时,张量分量满足变换关系:

T′μνλ=Tαβγ∂x′μ∂xα⋅∂x′ν∂xα⋅∂xγ∂x′λ

度规 号差 曲线长度

度规 g∈T(0,2) 满足

  1. 对称性:g(u,v)=g(v,u)

  2. 非退化?:∀v, g(u,v)=0  ⇒u=0

利用度规可以定义正交归一性。 g 可用正交归一的基底写成对角线为 ±1 的对角阵,1与-1的个数固定,对角元之和称为号差(即惯性指数)。全正的为黎曼型,有一个-1的为洛伦兹型。

定义流形 M 上的曲线 C 的长度定义为

l=∫C|g(T,T)|dt

🖊 曲线的长度不依赖参数 t 的变换

抽象指标记号

定义 δab∈T(1,1):  δabvb=va 为 V→V 中的不变映射。

🖊 在任意基底 {(eν)a} 与其对偶基底 {(eμ)b}下有 δab=δνμ(eν)a(eμ)b

🖊 对任意基底 {(eν)a} 与其对偶基底 {(eμ)b} 有 δab=(eμ)a(eμ)b

记 M 上的度规为 gab。定义 gab=(gab:V→V∗)−1。定义(以(1,2)型张量为例)

Tabcgbd=Tadc

🖊 显然有 gabgbc=δac

🖊 gab(∂∂xμ)b=gμν(dxν)a。更一般地:gab(eμ)b=(eμ)a=gμν(eν)a 对称地,有 (eν)a=gμν(eμ)a。

用 Tab=Tba 表示 Tab 是对称的。

逻辑链

  1. 在 M 上定义矢量基底 (eμ)a

  2. 在 M 上定义矢量的恒等映射张量 δab 满足

    δabvb=va

    籍此可证

    δabωa=ωb

    进而得到 δab 对任意类型的张量都是恒等变换。

  3. 在 M 上定义 (eμ)a 的对偶基底 (eν)b 满足

    (eμ)a(eν)b=δab

    在 (eμ)a,(eν)b 下有:

    1. Tabc=Tμνσ(eμ)a(eν)b(eσ)c,其中 Tμνσ=Tabc(eμ)a(eν)b(eσ)c

    2. δab=δμσ(eμ)a(eσ)b 其中 δμν=δνμ。这里的 δνμ 为克罗内克符号。

  4. 在 M 上定义度规 gab。度规是对称的。

  5. 在 M 上定义度规的逆运算 gab 满足:

    gabgbc=δab
  6. 定义 vb=gabva, ωb=gabωa, Tdbc=Tabcgad 等。

注意:

导数算符 ∇a

定义流形 M 上的全体 (k,l) 型张量场为 F(k,l)。定义导数算符 ∇a:F(k,l)→F(k,l+1) ,满足如下条件

  1. 线性:∇a(αT......+βS......)=α∇aT......+β∇aS......

  2. 莱布尼兹性:∇a(T......S......)=T......∇aS......+S......∇aT......

  3. 与缩并可交换:∇a(δbcTc...b...)=δbc∇aTc...b...,即 ∇aδbc=0bac

  4. v(f)=va∇af,  where f∈F(0,0) is a scalar field,即 ∇af=(df)a

  5. 无挠性:∇a∇bf=∇b∇af

将(例如) ∇aTbc 的分量记为 Tνσ;μ。

任意两个流形上的导数算符 ∇a,∇~a 满足 ∇af=∇~af=(df)a。

🖊 若 ωa,ωa′ 满足 ωa|p=ωa′|p,则对任意 ∇a,∇~a 有 ((∇a−∇~a)ωb)p=((∇a−∇~a)ωb′)p。故 (∇a−∇~a)ωb 的值仅取决于 ωb|p,即 (∇~a−∇a:F(0,1)→F(0,2))=(Ccab:F(0,1)→F(0,2))∈F(1,2)。

🖊 进一步可得(以 Tab∈F(1,1) 为例):

∇aωb=∇~aωb−Ccabωc  ⇒∇aTbc=∇~aTbc+CbadTdc−CdacTbd

作用在张量上的导数算符的物理意义是什么?

记在坐标 {xμ} 下的依赖坐标的导数算符 ∂a 满足(以 Tab∈F(1,1) 为例):

∂aTbc=(dxμ)a(∂∂xν)b(dxσ)c⋅∂Tνσ∂xμ

其中 ∂Tνσ/∂xμ 也记作 Tνσ,μ。∂a 与 ∇a 相差克氏符 Γbac,即

∇aωb=∂aωb−Γcabωc

克氏符是依赖坐标的张量。

🖊 对易子 [u,v]a=ub∇bva−vb∇bua。

平移 联络 度规确定导数算符

在流形 M 上的曲线 C 上的矢量场 va 是平移的,若满足在曲线上恒成立:

Ta∇avb≡0b,   where Ta=(∂∂t)a

🖊 对于一条固定的曲线 C 与其上某点 p 上的固定矢量 va|p 会对应曲线上唯一的平移矢量场。

固定一个微分算符 ∇a,对于流形上的两个点 A,B,取一条连接这两点的曲线 C,则可获得 VA↔VB 的双射。(这个双射是取决于曲线的。)由此也称微分算符为联络。

在选定度规 gab 的流形 M 里,要求导数算符 ∇a 满足:

∀ curve C:C(R)⊂M,  ∀p,q∈C(R)∀ ua,vb∈FM(1,0):Ta∇aub=Ta∇avb=0gabuavb|p=gabuavb|q

即平移变换不改变度规结果。这样可确定唯一的导数算符 ∇a,其克氏符满足:

Γabc=12gcd(∂agbc+∂bgca−∂cgab)

测地线

......

黎曼曲率张量

......