книги / Курс аналитической геометрии и линейной алгебры

ная форма). Инвариантность здесь подразумевается, конечно, только относительно замены одного ортонормированного базиса другим ортонормированным.

Упражнения

1» В базисе е метрический тензор задан матрицей Г, а тензор aij мат­ рицей А:

Найдите матрицы В, С и D тензоров а*:, a k и of*.

2.Можно заметить, что в упр. 1 детерминанты матриц А, В, С и D совпадают, и следы В и С одинаковы. Объясните это.

3.Упростите выражение (8^а^д^к +&1а™д1к)дка+ <*ьк]9*кЯи»

%3. Поливекторы. Внешние формы

1.р-векторы . Этот параграф посвящен изучению двух специ­ альных классов тензоров, важных для приложений.

Определение. Антисимметричный по всем индексам тензор типа (р, 0) называется р-вектором или поливектором, если р не уточ­

няется. 2-векторы принято называть бивекторами. Антисимметричный по всем индексам тензор типа (0,q) называ­

ется q-формой или внешней формой, если q не уточняется. Число q называется порядком или степенью внешней формы.

Тензоры типов (1,0) и (0,1) по определению считают 1-вектором и 1-формой.

Внешние формы пространства i f можно рассматривать как по­ ливекторы в сопряженном пространстве if*. Поэтому свойства этих двух классов тензоров одинаковы. В начале мы будем говорить в ос­ новном о поливекторах.

Заметим, прежде всего, что при р > п существует только нуле­ вой р-вектор. Действительно, из р индексов, принимающих значе­ ния 1,...,п, в каждой компоненте хотя бы два должны иметь оди­ наковые значения. Как отмечалось в § 1, из антисимметрии следует, что каждая компонента такого тензора равна нулю.

При р = п могут быть отличны от нуля только те компоненты, у которых значения индексов составляют перестановку чисел 1,...,п (иначе снова окажутся два равных индекса). Все такие компоненты по предложению 7 § 1 выражаются через одну из них по формуле

a f‘i - ,‘n = •••«. (1)

р-вектор а ,1~*р называется простым или разложимым, если он представим как произведение р! на альтернированное произведе­ ние векторов, т. е. найдутся такие векторы х\,...,хр с координата-

ми что

(2)

Пример 1. Пусть £* и if — два вектора в трехмерном простран­ стве. Они определяют простой бивектор с компонентами

а23 .

а 31 = e v - « V , <*12 = «V - € V ; (3)

а 32, а 13 и а 21 отличаются знаком от этих, а а 11 = а22 = а 33 = 0. Выражения (3) напоминают о векторном произведении. И дейст­ вительно, если пространство евклидово, рассмотрим свертку с дис­ криминантным тензором 6ijk$i)k\ Выпишем первую компоненту это­ го ковектора в нравом ортоиормированном базисе. Если г = 1, то в сумме только два ненулевых слагаемых j = 2, к = 3 и j = 3, к = 2.

Аналогично подсчитываются и остальные компоненты. Поднятие ин­ декса у этого ковектора дает вектор

cj' = ^ W lV ,

который и является векторным произведением. Это видно из выра­ жения его компонент в ортоиормированном базисе.

Предложение 1. Каждый п-вектор является простым. Действительно, пусть дан произвольный n-вектор а*1 -,л. Возь­

мем какой-нибудь ненулевой простой п-вектор /Р1' Лп = и обозначим отношение а 1"-”//?1;*-*1 через А. Из формулы (1) следу­

Вычислим минор этой матрицы, расположенный в строках с номера­ ми *1 < г*2< ... < гр, по формуле полного разложения

(*1-М

Сравнивая это выражение с (2), мы находим те компоненты просто­ го р-вектора, у которых значения всех индексов попарно различны и расположены в порядке возрастания (существенные компоненты):

Остальные компоненты вычисляются по уже найденным из свойства антисимметрии.

В частности, для n-вектора имеем a 1 n =det ||£j|| (пример 16 §1).

Вспомним формулу (21) § 1 гл. VII. Из нее видно, что если прост­ ранство евклидово, а базис положительный ортонормированный, то компонента а 1**п равна объему ориентированного параллелепипеда, построенного на векторах, составляющих данный п-вектор.

Из формулы (5) следует, что простой р-вектор является нулевым тогда и только тогда, когда составляющие его векторы линейно зави­ симы, т. е. ранг матрицы (4) меньше р.

2. Относительные инварианты. Любой п-вектор в каждом ба­ зисе вполне характеризуется одним числом — его существенной ком­ понентой от1—” . Попробуем найти закон преобразования этого числа при замене базиса без участия других компонент га-вектора. Мы по­ лучим

Мы видим, что соответствие, относящее каждому базису существен­ ную компоненту n-вектора, определяет геометрический объект с од­ ной компонентой и законом преобразования (6). Этот объект не тен­ зор, так как тензор с одной компонентой должен иметь тип (0,0) и, следовательно, быть инвариантом.

Другой пример объекта такого рода дает детерминант матрицы из компонент тензора типа (0,2). Эта матрица В при замене базиса преобразуется, как известно, в матрицу В' = SFBS, и

det Bf = (det S)2 det В.

Определение. В линейном пространстве задан относительный инвариант веса г, если каждому базису сопоставлено число так, что числа, соответствующие базисам е и е' = eS, связаны равенством

Инвариант, или, как говорят, чтобы подчеркнуть отличие от относительного инварианта, абсолютный инварианту является отно­ сительным инвариантом веса 0.

Аналогично формуле (6) можно показать, что существенная ком­ понента n-формы является относительным инвариантом веса 1.

Отметим следующие свойства алгебраических операций с относи­ тельными инвариантами.

Предложение 2. Если а и Ь — относительные инварианты одного и того же веса г, то их сумма — относительный инвариант веса г.

Если а и Ь — относительные инварианты весов га и гь, то их произведение — относительный инвариант веса га + г&.

Если а — относительный инвариант веса г, то его p-я степень — относительный инвариант веса рг.

Все три утверждения легко доказываются непосредственной про­ веркой закона преобразования, и мы предоставим читателю написать доказательство.

Подчеркнем, что сумма относительных инвариантов разных весов не является относительным инвариантом.

Относительный инвариант называют также плотностью. Объект, получаемый умножением тензора на относительный инвариант, назы­ вается тензорной плотностью. Напишите закон преобразования ком­ понент такого объекта.

3. Внешние формы, g-формы чаще всего представляют интерес как полилинейные функции от g векторов (пример 8 § 1). Для такой функции антисимметрия означает, что ее значение меняет знак, если поменять местами какие-нибудь два ее аргумента. Например, функ­ ция, сопоставляющая трем векторам трехмерного евклидова прост­ ранства их смешанное произведение, является 3-формой.

Учтем, что равны нулю те слагаемые, в которых хотя бы два индекса суммирования имеют одинаковые значения, а остальные слагаемые сгруппируем. Пусть числа расположены в порядке возраста­ ния, a tkl,...,ikq — их перестановка. Тогда группу из д! слагаемых, в которых индексы суммирования (в каком бы то ни было порядке) равны можно записать как сумму по перестановкам

Е~.йЫ)тк1..‘-#4=

(**1 >"4*kq)

компоненты внешней формы — те, у которых индексы расположены в порядке возрастания. Итак, мы имеем

Предложение 3. Значение q-формы на векторах x i,...,x q яв­ ляется линейным однородным многочленом от компонент простого q-вектора, ими определяемого.

Для фиксированного g линейная комбинация g-форм также являет­ ся д-формой. Поэтому при каждом g множество д-форм — линейное пространство. Аналогично, линейным пространством является мно­ жество всех д-векторов. Из формулы (8) следует, что эти два про­ странства сопряжены одно другому.

Построим базис пространства д-форм. Для этого рассмотрим базис е пространства JS? и его биортогональный базис р1, ..., рР в про­ странстве JS?*. 1-форма р* имеет компоненты 6*к. Компоненты произ­

ведения q различных 1-форм р*1® ... <g>р*« (t’i < ... < iq) равны 6*kl ...Skq.

Одна из них, та, для которой ki = ц при всех / = 1 , ...,д, равна 1, а остальные равны нулю.

Альтернируем это произведение. Полученный при этом тензор имеет компоненты т*е* если индексы fcj,...ykq — чет­

ная перестановка чисел ii,...,ig, (—1/g!) если перестановка нечетная, и 0, если набор нижних индексов не совпадает с набором верхних.

Введем обобщенный символ Кронекера

Обобщенный символ Кронекера антисимметричен также и по верх­ ним индексам. Действительно, как легко видеть, = g!rf£\..rf^.

Обозначим через е*1—1’* g-форму с компонентами ti*k\ '’*k .

Предложение 4. Система q-форм с11—*« для всевозможных на­ боров i\ < ... < iq является базисом в пространстве q-форм.

Найдем компоненту 6j1„jq для произвольного набора j\ < ... < jq:

так как в сумме только одно ненулевое слагаемое. Итак, в = о; и произвольная форма а; раскладывается по системе e*J•••**. Линейная независимость этой системы форм следует из того, что одна и только одна из существенных компонент такой формы равна 1, а остальные равны нулю.

Следствие. Размерность пространства q-форм п-мерного ли­ нейного пространства равна числу сочетаний С%.

4. Внешнее умножение. Как для поливекторов, так и для внеш­ них форм определена операция внешнего умножения. В обоих случа­ ях операция определяется одинаково и имеет одни и те же свойства. Обычно она употребляется для внешних форм.

Определение. Пусть даны внешние формы ш и в степеней р и д. Обозначим через [ш,в] внешнюю форму степени р + g, равную тензорному произведению ши в , альтернированному по всем индек­ сам. Внешним произведением форм ш и в называется (р + д)-форма

Пример 2. Если ш1 и ш2 — линейные формы с компонентами ш} и w2, то w1 Л и2 имеет компоненты

CUj = w}w] -

Это билинейная функция с кососимметричиой матрицей.

Тензорное умножение дистрибутивно по отношению к сложению, а результат альтернирования суммы равен сумме альтернированных слагаемых. Поэтому внешнее умножение дистрибутивно по отноше­ нию к сложению: для любых форм в1, в2 одной степени и любой фор-

Легко видеть, что умножение внешнего произведения на число равносильно умножению на это число любого из сомножителей.

Рассмотрим три внешние формы ш1, ш2 и а;3 степеней р, g и г и произведение (ш1Да;2) Ль;3. Компоненты [[и;1,^ 2],^ 3] равны

ет (р + g)! одинаковых членов. Понять, что здесь происходит, проще всего на таком примере. Пусть ( риф суть 1-формы, а о; — 2-форма. Тогда компоненты формы [[<р,ф]>м] равны

Так как второе слагаемое антисимметрично по всем индексам, оно отличается знаком от первого, и внутреннее альтернирование может

быть пропущено:

ЩгФ^Ы] = <P[i$jUkl].

Точно так же внутреннее альтернирование можно пропустить и при вычислении компонент [о;1, [и;2,о;3]]. Вместе с (10) это дает

[[u>\u;2],w3] = [w1, [w2,w3]].

Сравним множители, которые надо добавить, чтобы получить внеш­ ние произведения. Они одинаковы:

(р + g + r)! (р+д)1 __ (р + дН-г)! (д + г)!

Из сказанного следует ассоциативность внешнего умножения

и;1 Л (ш2 Аш3) = (и;1 Ли;2) Аш3.

Это позволяет нам говорить о внешнем произведении любого числа внешних форм без упоминания о расстановке скобок. В частности, базис в пространстве q-форм, построенный в предложении 4, состоит из внешних произведений

€iliq - р*1Л ... Л piq.

Заметим в качестве еще одного примера, что простой р-вектор, образованный векторами a?i,...,arp, есть их внешнее произведение.

Исследуем перестановочность внешнего умножения. Пусть в — р-форма, aw — g-форма, и каждая из них разложена по соответствую­ щему базису. Вычисляя в Aw, мы воспользуемся дистрибутивностью и получим сумму

Числовые коэффициенты, разумеется, перестановочны, и вопрос сво­ дится к возможности переставить базисные 1-формы во внешнем про­ изведении р*1Л ... Л р1р А р*1А ... Л р7*. Рассмотрим компоненту этого произведения с произвольным набором индексов k i, ..., kp+q. Она рав­

Сравним эту компоненту с соответствующей компонентой другого

Мы должны переставить каждый из р индексов i через q индек­ сов j. Так как обобщенный символ Кронекера антисимметричен но верхним индексам, это вызовет умножение компоненты на (—1)ря. Все слагаемые в (11) и (12) отличаются на этот множитель, и потому

Отсюда следует Предложение 5. При внешнем умножении внешние формы ком­

мутативны, если хотя бы одна из них четного порядка, и антикоммутативны, если оба порядка нечетные.

Упражнения

1 , Функция от двух векторов в трехмерном евклидовом векторном пространстве сопоставляет любым двум векторам х и у смешанное произ­ ведение (а, х,у), где а — фиксированный вектор. Докажите, что эта функ­ ция — 2-форма. Выразите ее матрицу в заданном базисе е через координа­ ты вектора а.

ляют базис в пространстве бивекторов пространства j£f.

3. Пусть — базис подпространства С Назовем направ­ ляющим р-вектором подпространства w = х\ Л ... Л хр.

Докажите, что*

а) вектор у лежит в J5f' тогда и только тогда, когда у Л w = 0;

б) любые два направляющих р-вектора подпространства JS?' отличаются один от другого на числовой множитель;

в) если пространство евклидово, эют множитель равен отношению объемов ориентированных параллелепипедов, пост роенных на соответст­ вующих базисах.

УКАЗАНИЯ И ОТВЕТЫ К УПРАЖНЕНИЯМ

ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

5 конце каждого параграфа приведены упражнения, относящиеся к ма­ териалу данного параграфа. Решая их, надо иметь в виду, что получение верного ответа необходимо, но не оно является основной целью. Эта цель — посмотреть на конкретные частные случаи общих фактов, поупражняться в применении методов, изложенных в соответствующем параграфе. Поэтому не все предлагаемые способы решения одинаково полезны.

Часто встречается тенденция решать задачи не теми методами, которые в данный момент изучаются, например, в начале изучения аналитической геометрии студент бывает склонен решать предложенные ему задачи мето­ дами элементарной геометрии. Это бессмысленно: элементарная геометрия уже изучена, сейчас нужно овладеть новым материалом.

Иногда есть возможность догадаться, каков должен быть ответ, а за­ тем проверить свою догадку. Это, конечно, прекрасно, но мало чему учит. Сделав эго, подумайте, как бы вы стали решать, если бы вам не удалось догадаться.

Как правило, решение задач нс требует длительных рассуждений или громоздких вычислений. Если найденный вами способ решения трудоемок, посмотрите, нельзя ли сделать задачу иначе. В некоторых упражнениях указания приведены для того, чтобы обратить внимание читателя на тот путь решения, который кажется автору предпочтительным. В любом слу­ чае перед тем, как окончательно остановиться на определенном способе решения, полезно сравнить его с другими возможными способами. После того как решение получено, подумайте, нельзя ли получить его проще.

Ответы ко всем упражнениям приведены, но в жизни приходится ре­ шать задачи без готовых ответов, и потому полезно выработать в себе при­ вычку делать проверку. Там, где это возможно, следует подставить полу­ ченный ответ в условие задачи и убедиться, что он удовлетворяет условию. Это, однако, нс гарантирует, что найдены все возможные решения задачи. Если полная проверка невозможна, то следует проделать частичную про­ верку: удовлетворяет ли полученное решение хотя бы части условий задачи и естественным требованиям, которым оно необходимо должно удовлетво­ рять (скажем, является ли вычисленная длина положительной)? Сколько решений должна иметь задача из общих соображений? Совпадает ли раз­ мерность найденной величины с размерностью искомой? Берна ли найден­ ная общая формула в простейших частных случаях?

Важно обратить внимание на обоснованность отпета. Особенно это отно­ сится к задачам на доказательство, которые можно рассматривать как за­ дачи с готовым ответом. Не каждый текст, заканчивающийся словами “что

290 Указания и ответы к упражнениям

и требовалось доказать”, является доказательством. Здесь трудно дать об­ щие рекомендации, однако, закончив доказательство, задайте себе два во­ проса: положились бы вы на это рассуждение, если бы от его результата зависело чго-то очень важное для вас, или потребовали бы дополнитель­ ных гарантий? Если бы кто-то привел вам это доказательство, то что бы вы возразили?

Часто ошибка в рассуждении находится там, где написано “очевидно”. Вы в этом уверены, но на чем основывается эта уверенность? Очевидные вещи тем и хороши, что их легко доказать. Если нет полной ясности, то копайтесь, пока ее не будет.

Приведенные ниже указания к задачам иногда имеют форму утверж­ дения. На такое утверждение надо смотреть как на вспомогательный ре­ зультат, который еще нужно проверить.

УКАЗАНИЯ

Глава I

§i

4.Если такая точка существует, то РА + РВ + PC = 3РО для любой

точки Р.

§4

3.Разложите а по сторонам треугольника. Проекция линейной комби­ нации равна линейной комбинации (с теми же коэффициентами) проекций этих же векторов.

5.Заметьте, что ([а,Ь],[а,с]) = (а, [Ь, [а, с]]). Далее можно применить формулу двойного векторного произведения. Это преобразование бывает полезно и в других случаях.

Глава II

§2

5. Если два данных вектора не коллинеарны, то часто бывает удобно использовать базис, составленный из этих векторов и их векторного про­ изведения.

§3

5. Так как базисные векторы равны по длине, векторы ei 4- ег и ei —ег взаимно перпендикулярны. Удобно выбрать оси декартовой прямоугольной системы координат направленными вдоль этих векторов.