爱因斯坦求和约定

✍ dations ◷ 2025-04-03 08:53:36 #数学表示法,多重线性代数,张量,黎曼几何,数学物理,阿尔伯特·爱因斯坦

在数学里,特别是将线性代数套用到物理时,爱因斯坦求和约定(Einstein summation convention)是一种标记的约定,又称为爱因斯坦标记法(Einstein notation),在处理关于坐标的方程式时非常有用。这约定是由阿尔伯特·爱因斯坦于1916年提出的。后来,爱因斯坦与友人半开玩笑地说:“这是数学史上的一大发现,若不信的话,可以试着返回那不使用这方法的古板日子。”

按照爱因斯坦求和约定,当一个单独项目内有标号变数出现两次,一次是上标,一次是下标时,则必须总和所有这单独项目的可能值。通常而言,标号的标值为1、2、3(代表维度为三的欧几里得空间),或0、1、2、3(代表维度为四的时空或闵可夫斯基时空)。但是,标值可以有任意值域,甚至(在某些应用案例里)无限集合。这样,在三维空间里,

的意思是

请特别注意,上标并不是指数,而是标记不同坐标。例如,在直角坐标系里, x 1 {\displaystyle x^{1}\,\!} x 2 {\displaystyle x^{2}\,\!} x 3 {\displaystyle x^{3}\,\!} 分别表示 x {\displaystyle x\,\!} 坐标、 y {\displaystyle y\,\!} 坐标、 z {\displaystyle z\,\!} 坐标,而不是 x {\displaystyle x\,\!} x {\displaystyle x\,\!} 的平方、 x {\displaystyle x\,\!} 的立方。

爱因斯坦标记法的基本点子是余向量与向量可以形成标量:

通常会将这写为求和公式形式:

在基底变换之下,标量保持不变。当基底改变时,一个向量的线性变换可以用矩阵来描述,而余向量的线性变换则需用其逆矩阵来描述。这样的设计为的是要保证,不论基底为何,伴随余向量的线性函数(即上述总和)保持不变。由于只有总和不变,而总和所涉及的每一个项目都有可能会改变,所以,爱因斯坦提出了这标记法,重复标号表示总和,不需要用到求和符号:

采用爱因斯坦标记法,余向量都是以下标来标记,而向量都是以上标来标记。标号的位置具有特别意义。请不要将上标与指数混淆在一起,大多数涉及的方程式都是线性,不超过变数的一次方。在方程式里,单独项目内的标号变数最多只会出现两次,假若多于两次,或出现任何其它例外,则都必须特别加以说明,才不会造成含意混淆不清。

在线性代数里,采用爱因斯坦标记法,可以很容易的分辨向量和余向量(又称为1-形式)。向量的分量是用上标来标明,例如, a i {\displaystyle a^{i}\,\!} 。给予一个 n {\displaystyle n\,\!} 维向量空间 V {\displaystyle \mathbb {V} \,\!} 和其任意基底 e = ( e 1 , e 2 , , e n ) {\displaystyle \mathbf {e} =(\mathbf {e} _{1},\mathbf {e} _{2},\dots ,\mathbf {e} _{n})\,\!} (可能不是标准正交基),那么,向量 a {\displaystyle \mathbf {a} \,\!} 表示为

余向量的分量是用下标来标明,例如, α i {\displaystyle \alpha _{i}\,\!} 。给予 V {\displaystyle \mathbb {V} \,\!} 的对偶空间 V {\displaystyle \mathbb {V} ^{*}\,\!} 和其任意基底 ω = ( ω 1 , ω 2 , , ω n ) {\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}=({\boldsymbol {\omega }}^{1},{\boldsymbol {\omega }}^{2},\dots ,{\boldsymbol {\omega }}^{n})\,\!} (可能不是标准正交基),那么,余向量 α {\displaystyle {\boldsymbol {\alpha }}\,\!} 表示为

采用向量的共变和反变术语,上标表示反变向量(向量)。对于基底的改变,从 e {\displaystyle \mathbf {e} \,\!} 改变为 e ¯ {\displaystyle {\overline {\mathbf {e} }}\,\!} ,反变向量会变换为

其中, a ¯ i {\displaystyle {\overline {a}}^{i}\,\!} 是改变基底后的向量的分量, x ¯ i {\displaystyle {\overline {x}}^{i}\,\!} 是改变基底后的坐标, x j {\displaystyle x^{j}\,\!} 是原先的坐标,

下标表示共变向量(余向量)。对于基底的改变,从 ω {\displaystyle {\boldsymbol {\omega }}\,\!} 改变为 ω ¯ {\displaystyle {\overline {\boldsymbol {\omega }}}\,\!} ,共变向量会会变换为

矩阵 A {\displaystyle A\,\!} 的第 m {\displaystyle m\,\!} 横排,第 n {\displaystyle n\,\!} 竖排的元素,以前标记为 A m n {\displaystyle A_{mn}\,\!} ;现在改标记为 A n m {\displaystyle A_{n}^{m}\,\!} 。各种一般运算都可以用爱因斯坦标记法来表示如下:

给予向量 a {\displaystyle \mathbf {a} \,\!} 和余向量 α {\displaystyle {\boldsymbol {\alpha }}\,\!} ,其向量和余向量的内积为标量:

给予矩阵 A {\displaystyle A\,\!} 和向量 a {\displaystyle \mathbf {a} \,\!} ,它们的乘积是向量 b {\displaystyle \mathbf {b} \,\!}

类似地,矩阵 A {\displaystyle A\,\!} 的转置矩阵 B = A T {\displaystyle B=A^{\mathrm {T} }\,\!} ,其与余向量 α {\displaystyle {\boldsymbol {\alpha }}\,\!} 的乘积是余向量 β {\displaystyle {\boldsymbol {\beta }}\,\!}

矩阵乘法表示为

这公式等价于较冗长的普通标记法:

给予一个方块矩阵 A j i {\displaystyle A_{j}^{i}\,\!} ,总和所有上标与下标相同的元素 A i i {\displaystyle A_{i}^{i}\,\!} ,可以得到这矩阵的迹 t {\displaystyle t\,\!}

M维向量 a {\displaystyle \mathbf {a} \,\!} 和N维余向量 α {\displaystyle {\boldsymbol {\alpha }}\,\!} 的外积是一个M×N矩阵 A {\displaystyle A\,\!}

采用爱因斯坦标记式,上述方程式可以表示为

由于 i {\displaystyle i\,\!} j {\displaystyle j\,\!} 代表两个不同的标号,在这案例,值域分别为M和N,外积不会除去这两个标号,而使这两个标号变成了新矩阵 A {\displaystyle A\,\!} 的标号。

一般力学及工程学会用互相标准正交基的基底向量 i ^ {\displaystyle {\hat {\mathbf {i} }}\,\!} j ^ {\displaystyle {\hat {\mathbf {j} }}\,\!} k ^ {\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}\,\!} 来描述三维空间的向量。

把直角坐标系的基底向量 i ^ {\displaystyle {\hat {\mathbf {i} }}\,\!} j ^ {\displaystyle {\hat {\mathbf {j} }}\,\!} k ^ {\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}\,\!} 写成 e ^ 1 {\displaystyle {\hat {\mathbf {e} }}_{1}\,\!} e ^ 2 {\displaystyle {\hat {\mathbf {e} }}_{2}\,\!} e ^ 3 {\displaystyle {\hat {\mathbf {e} }}_{3}\,\!} ,所以一个向量可以写成:

根据爱因斯坦求和约定,若单项中有标号出现两次且分别位于上标及下标,则此项代表着所有可能值之总和:

由于基底是标准正交基, u {\displaystyle \mathbf {u} \,\!} 的每一个分量 u i = u i {\displaystyle u^{i}=u_{i}\,\!} ,所以,

两个向量 u {\displaystyle \mathbf {u} \,\!} v {\displaystyle \mathbf {v} \,\!} 的内积是

由于基底是标准正交基,基底向量相互正交归一:

其中,   δ i j {\displaystyle \ \delta _{ij}\,\!} 就是克罗内克函数。当 i = j {\displaystyle i=j\,\!} 时,则 δ i j = 1 {\displaystyle \delta _{ij}=1\,\!} ,否则 δ i j = 0 {\displaystyle \delta _{ij}=0\,\!}

逻辑上,在方程式内的任意项目,若遇到了克罗内克函数   δ i j {\displaystyle \ \delta _{ij}\,\!} ,就可以把方程式中的标号 i {\displaystyle i\,\!} 转为 j {\displaystyle j\,\!} 或者把标号 j {\displaystyle j\,\!}

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