Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Tensor-Gotman

.pdf
Скачиваний:
55
Добавлен:
09.02.2015
Размер:
1.52 Mб
Скачать

Замечание 1.13 В декартовых координатах (и только в декартовых координатах)

векторный базис одинаков для всех точек пространства, поэтому для любого базисного вектора d il = 0 .

В системе обобщённых координат векторный базис ( e1, e2 , e3 ) является локальным, так что каждый базисный вектор является вектор – функцией обобщённых координат x1 , x2 , x3 , то есть, векторы основного и взаимного базиса имеют вид

ei = ei (x1, x2 , x3 );

ei

= ei (x1, x2 , x3 )

(2.13)

Отсюда получается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

da = d (al e

l

 

l

dal

+ al de

l

 

 

 

) = e

 

,

(3.13)

l

 

 

 

 

 

l

 

l

 

 

 

el ) = el da

+ a

 

 

 

 

da = d (a

 

 

del .

 

Таким образом, абсолютный дифференциал вектора, кроме части, отражающей изменение компонент вектора при переходе от точки к точке, содержит ещё часть

al del , al del , связанную с тем, что базис введённой системы координат также меняется от

точки к точке.

Ковариантная производная вектора

Так как

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d a =

 

d xk ,

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то на основании (20.13) частная производная вектора а

по обобщённой координате

xk

должна иметь вид

 

 

 

 

 

 

 

el

 

 

al

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

=

al

e

l

+al

 

=

el +a

l

el

 

 

 

 

 

(5.13)

 

 

xk

xk

 

xk

xk

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 1.13 Компоненты (ко- и контравариантные) этих векторов

 

a

( k =1,2,3)

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

образуют девять величин, совокупность которых

называют ковариантной (абсолютной)

производной (ковариантного или контравариантного) вектора..

 

 

 

 

 

Для совокупности ковариантных компонент

вектора

 

a

вводят

обозначения

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точкой с запятой)

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ei ai ; k

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.13)

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

которые называют ковариантной производной ковариантного вектора.

 

 

 

 

Совокупность контравариантных компонент векторов

 

a

обозначают через ai

; k ,

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

то есть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

e i ai; k

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.13)

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и называют ковариантной производной контравариантного вектора.

 

 

 

 

Замечание 2.13 В дальнейшем будет показано, что ai; k

и ai ; k

являются компонентами

тензора 2 – го ранга.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

61

Символы дифференцирования в тензорном исчислении.

Символы Кристоффеля 2-го рода Гij k

Найдём явное выражение ковариантных производных

поля.

В соответствии с определением из (6.13) получим

ai; k

=

 

a

 

ei

=

ai

+ a j

e j

ei ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

xk

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

e i = a i

 

 

e j

 

 

ai ; k =

+ a j

e i .

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

xk

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

через компоненты векторного

(8.13)

Учитывая. что компоненты gi. j = ei e j

либо равны нулю, либо единице, получим

 

 

(ei

e j ) = 0

 

 

 

 

 

(9.13)

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(как производные константы).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

 

 

e i

 

Отсюда из (9.13), дифференцируя, получают ei

+e j

= 0 , а отсюда

xk

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ei

 

e

j

 

= −e j

 

e i

 

 

 

 

 

(10.13)

 

xk

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вводится обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гi

=ei

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(11.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j k

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 2.13 Величины Гi

 

=ei

 

e j

 

(их всего 27

в трёхмерном пространстве)

 

 

 

 

j k

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

носят название символов Кристоффеля 2 – го рода.

Гij k

 

Тогда в силу (10.13) и (11.13) формулы (8.13) принимают вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ai

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

ai; k

=

 

 

 

 

 

 

 

a j Гi k

,

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(12.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

i

;k

=

 

+ a

j

 

 

 

i

 

 

 

 

 

xk

 

Г j k

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из этих формул следует, что абсолютная (ковариантная) производная векторного поля учитывает не только скорость изменения самого поля, как такового при перемещении

вдоль координатных линий (члены

a

i

,

a i

), но также и скорость изменения

xk

xk

 

 

 

локального базиса (вторые члены в (12.13)).

Замечание 3.13. Если локальный базис не меняется от точки к точке (декартовы системы координат), то из (12.13) следует, что все символы Кристоффеля второго рода

равны нулю. В этом случае ковариантные производные обращаются в наборы частных производных компонент по координатам.

62

Замечание 4.13. Таким образом, слагаемые a j Гijk и + a j Гij k обязаны своим

происхождением исключительно введением местного подвижного координатного базиса. Поэтому символы Кристоффеля должны выражаться через производные от

компонент метрического тензора ( e j ek

 

= g jk ,

 

gij

= ei e j ,

e j ek

= δkj ).

Их явное

выражение получается так:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ei Гi

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(13.13)

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 5.13 Таким

образом,

символы

Кристоффеля

2 –

го рода Гij k

являются

коэффициентами разложения векторов

e j

по векторам основного базиса.

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Символы Кристоффеля 1-го рода Гi, j k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 6.13 Символы Кристоффеля 1-го рода

Гi, j k являются коэффициентами

разложения векторов

e j

по векторам взаимного базиса, то есть

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e i Гi, j k

=

e j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(14.13)

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из (14.13) получается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гi, j k

= e

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(15.13)

 

 

 

 

 

xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Связь между символами Кристоффеля 1-го и 2 –го рода

 

 

 

 

 

 

 

Эта связь получается в виде

 

= gi l Гl

 

 

 

и Гl

 

 

= g i l Гl, j k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гi, j k

j k

j k

 

 

 

 

 

(16.13)

(Здесь использовано правило поднятия и опускания индексов)

 

 

 

 

 

Определение 3.13 Величины Гi, j k = e

 

 

e j

 

(их всего 27 в трёхмерном пространстве)

i xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

носят название символов Кристоффеля 1 – го рода.

 

 

 

 

 

 

r

 

Замечание 7.13 В силу

того,

что векторы локального базиса равны

ei =

, легко

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

qi

получить

 

e j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

∂ ∂r

 

=

 

∂ ∂r

=

e

k

 

 

 

 

(17.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xk

xk x j

x j xk

x j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из определений (11.13) и (15.13) следует, что символы Кристоффеля ! –го рода

симметричны по двум нижним индексам Γi, j k

эти индексы отделены запятой), то есть

Гi, j k = Гi,k j :

Гl

j k = Гl k j

(18.13)

Тогда, учитывая симметрию Гi, j k по j и k

и из свойства (17.13),

получают

63

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

 

 

 

 

 

e

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

i, j k

= e

i

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

e

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ e

i

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

i

 

 

 

 

 

 

 

 

e

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

(e

i

e

j

) +

 

 

 

 

 

 

 

(e

i

 

e

k

) e

j

 

 

 

 

 

 

e

k

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

gi j

 

 

gi k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

k

 

 

 

 

 

 

 

 

e j

 

 

 

1

gi j

 

 

gi k

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

e

j

 

 

 

 

 

 

 

e

k

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

(e

k

e

j

)

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

j

 

i

 

2

 

 

x

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

i

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

2

 

x

 

 

 

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, окончательно получается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

gi j

 

 

 

 

gi k

 

 

 

gk j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г

i, j k

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= Г

i,k j

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(19.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гij k

 

 

= g i l Гl, j k

 

= Гik j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(20.13)

Замечание 8.13 Символы Кристоффеля 1 –го рода не являются тензорами.

Это следует из закона преобразования символов Кристоффеля при изменении

пространственной системы координат (в системе обобщённых координат

xk

= αik' ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x'l

 

Г'i, j k = e'i

e' j

= αil'el

 

 

 

 

 

 

(enαnj' )xm

=

 

 

 

 

xm

 

 

 

 

x'k

 

 

 

 

 

 

 

x' k

 

 

 

= αlαmαn e

l

en

+αlαm

(e

l

e

n

)

αnj'

=

 

 

(21.13)

 

 

 

 

i' k'

j'

xm

i'

k'

 

 

 

 

 

 

 

xm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= αil'αkm'αnj'Гl,n m +αil'αkm'

 

 

 

 

 

j'

gl n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г'ij k = αli'αkm' αnj'Гln m +αni'αkm'

 

 

 

 

 

j'

 

 

 

 

 

 

(22.13)

xm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что символы Кристоффеля 2 –го рода тоже не являются тензорами.

Замечание 9.13 Ковариантные производные вектора являются компонентами тензора второго рода.

Действительно, учитывая (22.13)1

1 Здесь было использовано соотношение α j'

αnj'

= −α n

αrj'

, которое получается при

xm

r

j'

xm

 

дифференцировании выражения αrj'αnj' = grn (см. Метрический тензор).

64

 

 

 

 

 

 

b'

 

b'j Гi' jk =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b'i ; k

=

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x'k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

x

m

 

r

 

 

 

j'

m l n

 

j'

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m αi'

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(αi'bl )

 

 

k

α j'br

αn αk'αi'Гl m

+αn αk'

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

x

m

x'

 

x

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l m bl

 

 

 

m αil'

 

 

 

r

j'

m l n

 

 

r

 

 

 

 

j' m

 

αin'

 

 

=

αi'αk'

 

 

 

 

+ blαk'

 

 

 

 

α j

'brαn αk' αi'

Гl m

α j'brαn αk '

 

 

 

=

(23.13)

 

xm

xm

 

 

 

xm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l m bl

 

 

 

m αil'

 

 

 

r

j'

m l n

 

 

 

 

m αin'

 

 

 

 

 

= αi'αk'

 

 

 

 

+ blαk'

 

 

 

 

α j'brαn αk' αi'

Гl m

bnαk '

 

 

 

=

 

 

 

 

xm

xm

 

 

 

xm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= αlαm

 

 

l

b αmαl

Гn

 

= αlαm

 

l

b

Гn

= αlαmb

.

 

 

 

 

m

 

 

m

 

 

 

 

i'

k'

 

x

 

 

n

k ' i'

l m

 

i' k'

x

n

 

l m

 

 

 

i' k'

 

l; m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом,

величины

 

b'i ; k

преобразуются

как

ковариантные

компоненты

тензора второго ранга, а величины b' ;ik - как смешанные компоненты, которые аналогично получаются (без подробностей предыдущего вывода)

b'

 

i

=

b'i

+ b

' j

Г

'i

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;k

x'k

 

 

j k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(αli'b l )

x

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

αn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j'

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+αrj'b r

αli'αkm'αnj'Гln m +αni'αkm'

 

 

 

=

(24.13)

 

 

 

 

m

 

 

 

k

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i'

 

 

 

 

b

l

 

 

 

 

n

 

l

 

 

 

 

 

 

i'

m

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

α

l

α

k

 

 

 

 

+ b

 

Гn m

 

= α

l

α

k'

b;m .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 10.13 Из определений (22.13)

 

и (13.13),

учитывая, что

e i

= g i l el , следуют

соотношения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

= g

i l

bl

 

;

 

bi

= g il b

; k

;

 

 

 

 

(25.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i; k

 

 

 

 

 

;k

 

 

 

;k

 

l

 

 

 

 

 

 

Определение 4.13 Величины bi; k , и b;lk являются компонентами (ковариантными и

смешанными) одного и того же тензора, который и называется абсолютной

(ковариантной) производной вектора.

Теорема 1.13 Если Ti1 i2 ...in (r) - тензорное поле n -го ранга, то величина xi Ti1i2 ...in есть тензорное поле n +1-го ранга.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Заметим, что при переходе из системы координат xi к xi' справедливо равенство

 

 

'

 

 

 

 

 

Ti1i2

 

=

 

T 'i1i2 ...in .

(27.13)

 

 

 

xi

...in

x'i

 

 

 

 

 

 

n

При повороте xi' = ui j xi (i =1,2,3) . Отсюда в силу условия (знак - означает «для

j=1

любого»)

65

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,

j = k

 

 

 

 

 

 

 

ui j uik = u jiuk i

= δ j k

=

(28.13)

 

 

 

 

 

 

j k

следует, что

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x j

= ui j x'i

или

j

= ui j .

(29.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

x j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

= ui j

 

.

(30.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'

'

 

 

x

j

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi j=1

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

j=1

 

j

 

 

Замечание 11.13 В

равенстве

 

 

(26.13)

 

предполагается, что все x'j ( j i) и

xi (i j)

фиксированы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ ∂xi Ti

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь видно, что величина

 

 

 

i

2

...i

n

 

 

 

преобразуется как тензор n +1-го ранга, а

именно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ui j ui1 j1 ...uin jn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 'i1i2 ...in

=

 

 

 

 

 

T ' j1 j2 ... jn ,

 

 

 

(31.13)

 

'

x

 

 

 

 

 

 

xi

 

j, j

, j

 

,..., j

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а число компонент такого тензора равно 3n+1 . Тем самым данная теорема доказана.

 

Из этой теоремы вытекают следующие следствия:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1ое следствие. Если

Φ(r)

-

 

скаляр, то

 

 

 

∂Φ ∂xi -

компоненты вектора (i =1,2,3) .

Этот

вектор называется градиентом скалярного поля Φ(r) ,

и его компоненты градиента

обозначаются как

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂Φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( Φ)

 

(gradΦ) .

 

 

 

 

 

 

 

(32.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

набла») -

градиент (оператор Гамильтона)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= i

 

 

+ j

 

 

 

+ k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(33.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2ое следствие.

 

Если

A -

вектор,

 

 

то

 

 

 

Ai

xi

есть

скаляр, который

является

дивергенцией вектора A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A = divA .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(34.13)

3ье следствие. Величины

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi jk

Ak

 

 

( ×A)i

 

(rot A)i

 

 

 

 

 

 

(35.13)

 

 

 

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

представляют собой компоненты вектора

 

(i =1,2,3) . Вектор × A - ротор (вихрь)

.

4ое следствие. Величина

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Φ2 ≡ ∆Φ = 2Φ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(36.13)

 

 

 

 

 

i=1

 

xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

есть скаляр – лапласиан скалярной функции Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5ое следствие. Величины

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A)i ( 2 A)i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ai

 

 

 

 

 

(37.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j =1

x j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

суть компоненты вектора, который называется лапласианом векторной функции А.

66

Доказательство тождеств, связывающих приведенные величины.

Тождество 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

( × A) = 0

 

 

 

 

A.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(38.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д о к а з а т е л ь с т в о. Имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ak = εi j k

 

 

 

 

 

 

 

= −ε jik

 

 

 

= −ε jik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi j k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

k

 

=

 

 

x

 

 

 

 

x

j

 

 

 

 

 

x

i

x

j

 

 

x

x

j

x

x

i

 

 

i, j,k

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

j

 

.

 

 

= −εi j k

 

 

2 A

 

 

= −εi j k

 

 

 

2 A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

j

x

i

 

x

x

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(здесь используется преобразование индексов суммирования). Отсюда видно, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

εi j k

 

 

 

2 A

 

 

 

 

= −εi j k

 

2 A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

i

x

j

 

 

 

x

i

x

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i, j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что и доказывает тождество (38.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тождество 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×(Φ) = 0

 

 

Φ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(39.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д о к а з а т е л ь с т в о. Аналогично предыдущему

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ ×( Φ)]i = εi j k

 

 

 

 

 

 

∂Φ

 

=

εi j k

 

 

 

2Φ

 

 

 

 

= −εi k j

 

 

2Φ

 

=

 

 

 

 

 

 

 

x

j

x

k

 

x

j

x

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

j,k

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

= −εi j k

2Φ

 

 

 

 

= −εi j k

 

 

 

 

2 Φ

 

 

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

k

x

 

 

 

x

j

x

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тождество 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×( × A) = ( A) - 2 A.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(40.13)

Д о к а з а т е л ь с т в о.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 A

 

 

 

 

 

 

 

[ ×( × A)]i = εi j k

 

 

 

 

( × A)k = εi j k εkl m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

x j

 

 

 

x j xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,k,l,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из задачи

5.7

 

 

 

известно,

 

 

 

что

 

 

 

 

 

 

εijk εkpq

 

= δipδ jq

 

δiqδ jp ;

 

 

 

Так

как

равенство

εijk εkpq = δipδ jq δiqδ jp ;

 

 

справедливо

 

при

 

 

 

любых

значениях

 

 

индексов,

то

его

можно

применить векторно – векторному произведению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Am

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[ ×( × A)]i = (δilδ jm δimδ jl )

 

 

 

. =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,l,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x j xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δilδ jm

2 A

 

 

. δimδ jl

2 A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x j xl

 

 

x j xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,l,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,l,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Am . δim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δil

 

 

 

δ jm

 

 

 

 

 

 

δ jl

 

 

 

Am

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xl

 

 

x j

 

 

xl

 

x j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,l,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j,l,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δ

 

 

A

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A .

 

 

 

 

 

 

 

A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xm xl

 

 

m

xl xl

 

 

 

im m

 

 

 

 

 

xm xl

 

m

 

xl xl

i

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Очевидно, что

67

[ ×( × A)]i = xi ( A) 2 Ai ,

что и доказывает тождество (40.13)

Ковариантная производная тензора

Естественным обобщением формул для ковариантной производной вектора является определение ковариантного дифференцирования тензора 2 –го ранга.

 

 

 

 

 

 

 

Ti k

 

 

 

Гm

 

 

Гm ,

 

 

 

T

 

;l

=

 

T

T

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

i k

 

 

 

 

x

 

 

m k

 

i l

i m

 

 

k l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T i k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

i k

=

+T

m k

Г

i

+T

i m

Г

k

 

 

(45.13)

;l

 

 

xl

 

 

 

m l

 

 

 

m l

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T ik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T i

 

 

 

=

+T m Гi

T i

 

Гm

,.

 

 

 

 

 

 

 

 

k;l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

k m l

 

m

 

k l

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Можно показать, что эти величины преобразуются при изменении системы координат,

как соответствующие компоненты тензора 3 –го ранга (Ti k ;l - как ковариантные компоненты, T i;lk - как смешанные - дважды контравариантные, один раз ковариантные и т.д.)

Правила дифференцирования тензоров.

Правило 1. Ковариантные производные тензора любого ранга определяются так: первое слагаемое – это частные производные компонент тензора по координатам; остальные слагаемые (их число равно рангу тензора) являются суммами из компонент тензора и символов Кристоффеля 1 – го рода, причём индексом суммирования являются поочерёдно индексы компонент тензора и противоположный (верхний или нижний – в зависимости от «немого» индекса тензора) индекс символов Кристоффеля. Эти последние слагаемые входят с минусом, если «немой» индекс компонент тензора является ковариантным (нижним), и с плюсом – если «немой» индекс у тензора -

контравариантный (верхний)

Пример 1.13

λ..l

 

λ..l

λ..l Гn

λ..l Гn

+ λ..n Гl

=

ik

xl

ik;m

 

nk i m

in k m

ik n m

Правило 2 Ковариантная производная от тензора n -го ранга является тензором n +1 -

го ранга (см. теорему 1.13).

Замечание 13.13 Ковариантная производная тензора нулевого ранга (скаляра)

совпадает с частными производными по координатам

 

f;i =

f

.

 

 

 

 

 

 

xi

 

Ковариантная производная от

скаляра является ковариантным

вектором

(ковариантные компоненты градиента скаляра)

 

Правило 3. Ковариантная производная суммы равна сумме производных

 

( Aik + Bik );l

= Aik;l + Bik;l

(46.13)

Правило 4. Ковариантная производная произведения равна

 

( Aik Bmn );l = Aik;l Bmn + Aik Bmn;l

(47.13)

68

Теорема Риччи.

Ковариантная производная метрического тензора равна нулю.

Д о к а з а т е л ь с т в о. Согласно (19.13) и (20.13), имеем

gi k ;l =

 

gi k

gi m Гkml gmk Гiml =

gi k

 

- Гi,k l Гk ,i l =

 

 

 

 

 

xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gi k

 

1

 

 

gi k

 

gi l

 

 

 

gk l

 

1

 

 

gi k

 

gk l

 

gi l

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

= 0,

 

l

 

 

 

l

 

 

k

 

 

i

 

 

 

 

l

 

i

 

k

 

x

 

2

 

 

x

 

x

 

 

 

x

 

 

 

2

 

 

x

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

что и требовалось доказать.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие. из теоремы Риччи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из теоремы Риччи выводится часто используемое соотношение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gi k

= Гi,k l

+ Гk ,i l .,

 

 

 

 

 

 

 

 

(48.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание 14.13 Аналогично показывают, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g;ikl

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(49.13)

Факт равенства нулю ковариантной производной от метрического тензора

позволяет обращаться с его компонентами как с постоянными при ковариантном дифференцировании. Отсюда справедливы, например, соотношения

g

Al = (g

i l

Al )

;k

= A

 

 

 

 

i l

;k

 

 

 

i;k

 

 

 

g

T l m = (g

i l

T l m )

;k

= T

.m

 

 

i l

;k

 

 

 

i;k

 

T

 

g im g kn

= (T g im g kn )

;l

= T mn

ik;l

 

 

 

 

ik

 

 

 

;l

Физические свойства, имеющие тензорный характер, могут меняться с течением времени от точки к точке в некоторой части пространства. Для этого рассматривается тензор-функция скалярного аргумента и радиуса - вектора точки:

Tik = Tik (r,t)

(50.13)

Замечание 15.13 Предметом тензорного анализа является дифференцирование и интегрирование тензор - функций.

Рассмотренные выше символы сведены в таблицу 9 ПРИЛОЖЕНИЯ 2.

69

 

 

 

 

 

ГЛАВА 3.

ВЕКТОРНЫЙ И ТЕНЗОРНЫЙ АНАЛИЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

§ 14 Скалярные, векторные и тензорные поля

 

 

 

Скалярное поле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 1.14

Скалярным полем называется часть пространства,

каждой точке М

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 1.14) которого соответствует одно значение скалярной

 

 

z

 

 

 

 

 

функции

 

 

 

U =U (x, y, z) .

 

 

(1.14)

 

 

 

 

 

М

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

Определение 2.14

Аналитически

скалярное поле можно

 

 

z

 

 

 

 

также описать с помощью радиуса – вектора точки М в виде

 

 

 

 

 

 

y

r = r (x, y, z)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U =U (r)

 

 

 

(2.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 3.14

 

Геометрическими характеристиками

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

Рис. 1.14 Система

 

скалярного поля являются поверхности равного уровня

 

координат

 

 

 

 

(рис. 2.14).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения поверхностей

 

 

U (x, y, z) = C1

 

равного

уровня

являются

функциями

координат

и

 

 

 

константы

 

 

 

U (x, y, z) = Ci

 

 

 

(3.14)

 

 

 

U (x, y, z) = C2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где Ci

- константа i - той поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

U (x, y, z) = C3

 

Производная скалярной функции по направлению

 

s

U (x, y, z) = C4

 

вектора s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

Определение

4.14

Дифференциальной

 

скалярной

Рис. 2.14 Поверхности

 

характеристикой скалярного поля является производная

 

равного уровня

 

скалярной функции по направлению вектора s .

 

 

 

 

 

 

 

Для того, чтобы получить производную по направлению, дадим

приращение

s

вектору,

выходящему из точки M o

(рис. 3.14).

 

s можно представить в виде вектора

s =

x i +

y j +

z k .

Приращение функции

U =U (x, y, z)

обозначим

U

и выразим

через

 

производные,

учитывая

связь

 

приращения

с

производной

функции

( y = y'

x +ε

x ). Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U =

U

x +

U

y + U

z +ε1

x +ε2

 

y +ε3

z ,

 

 

 

 

(4.14)

 

 

x

 

y

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ε1,ε2 ,ε3 стремятся к нулю,

когда

s 0 . Разделим

 

 

 

s

 

все члены равенства (4.14) на

s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U =

U x + U y

+ U z +ε1

 

x +ε2

y

+ε3

z

z

 

s

М

 

s

x

s

y

s

z

s

 

s

 

s

 

 

s

 

 

 

Из рис. 3.14

видно, что

 

 

 

 

 

(5.14)

 

M o

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

y

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

s = cosα,

 

s

= cos β,

s = cosγ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.14 Схема приращений

 

U =

U cosα +

U cos β +

U cosγ +ε1 cosα +ε2

cos β +ε3 cosγ координат

 

 

s

x

 

 

y

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.14)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]