5. Основы тензорного анализа

Тензорная алгебра в евклидовом пространстве 5.19. Ортонормированные базисы в евклидовом пространстве Элементы геометрии 2-мерного псевдоевклидова пространства


В случае евклидового пространства, в отличие от линейного аффинного, не все базисы равносильны по своим геометрическим свойствам. Среди них можно выделить наиболее простые - так называемые ортонормированные, которые в случае обычного пространства соответствуют базису прямоугольной декартовой системы координат.
      Можно показать, что в $ n$-мерном комплексном пространстве $ {\mathbf R}^+_n$ и в вещественном собственно евклидовом пространстве всегда можно выбрать базисные векторы $ {\mathbf e}_i$ так, чтобы они удовлетворяли следующим условиям:
$\displaystyle \vert{\mathbf e}_i\vert=1,\quad ({\mathbf e}_i,{\mathbf e}_j) = \left\{ \begin{array}{l} 1,\quad i=j\\ 0,\quad i\ne j. \end{array}\right.$ (353)
В этом случае, как видно, метрический тензор совпадает с единичным и на таких базисах теряется различие между ковариантными и контравариантными координатами и соответственно индексами, которые их нумеруют:
$\displaystyle x_i \equiv x^i,$ (354)
а все геометрические соотношения будут точно такими же, как и в обычном 3-х мерном пространстве, только лишь число координат будет равно $ n$.

      Иная ситуация наблюдается в вещественных псевдоевклидовых пространствах, для которых, как уже отмечалось, $ {\mathbf x}^2$ может быть как положительным, так и отрицательным. В таких пространствах выбрать обычным образом ортонормированный базис нельзя, но можно выбрать $ n$ ортогональных между собой векторов $ ({\mathbf e}_i,{\mathbf e}_j,i\ne j)$, таких, что часть из них (например, первые $ k$) будут иметь квадрат длины, равный -1 (их называют мнимоединичными), а остальные $ n-k$ соответственно - ($ +1$). Количество мнимоединичных векторов не зависит от выбора конкретного базиса, а определяется геометрической структурой псевдоевклидового пространства. Число $ k$ таких мнимоединичных векторов называется индексом (сигнатурой) пространства. $ k$ может принимать одно из значений от 1 до $ n$ и поэтому для заданного $ n$ существует $ n$ различных псевдоевклидовых пространств с различной сигнатурой.
      В $ n$-мерном псевдоевклидовом пространстве индекса $ k$ метрический тензор имеет структуру:
$\displaystyle g_{ij} = \begin{array}{c} 1\\ 2\\ \vdots\\ k\\ \vdots\\ n \end{ar...
...\ \hspace{0.9em} 0 & \dots & \dots & \dots & \dots & 1\\ \end{array} \right)\ .$ (355)
В силу структуры метрического тензора (355) различия между контравариантными и ковариантными координатами или векторами хотя и не исчезают, но становятся незначительными:
$\displaystyle x_i = -x^i\quad i=1,\dots,k\quad x_i=x^i,\quad i=k+1,\dots,n$ (356)
и тогда для скалярного произведения получаем:
\begin{displaymath}\begin{array}{ccl} ({\mathbf x},{\mathbf y}) &=& g_{ij} x^i y...
...1-\dots - x_k y_k + x_{k+1}y_{k+1}+\dots + x_n y_n. \end{array}\end{displaymath} (357)


Векторный анализ в криволинейных координатах Литература
Тензорная алгебра в евклидовом пространстве   Содержание   Элементы геометрии 2-мерного псевдоевклидова пространства