37

Тензоры в евклидовом пространстве

[19/74%]
Показать
LaTeX
Задача 37.1

Векторы e1′,e2′e_{1}^{\prime }, e_{2}^{\prime } заданы своими координатами (1,0)(1, 0) и (cos⁡α,sin⁡α)(\cos \alpha , \sin \alpha ) относительно некоторого ортонормированного базиса e1,e2e_{1}, e_{2} двумерного евклидова пространства. Выписать матрицы:

(1) метрического,

(2) контравариантного метрического,

(3) дискриминантного тензоров в базисах:

?
(1)

e1,e2e_{1}, e_{2}

(2)

e1′,e2′e_{1}^{\prime }, e_{2}^{\prime }.

Задача 37.2

Доказать, что в произвольном базисе евклидова пространства дискриминантный тензор имеет следующие компоненты: εi1…in=0\varepsilon_{i_{1} \ldots i_{n}} = 0, если среди значений индексов есть равные, и εi1…in=(−1)N(i1…in)σdet⁡Γ\varepsilon_{i_{1} \ldots i_{n}} = (- 1)^{N\left(i_{1} \ldots i_{n}\right)} \sigma \sqrt{\operatorname {det} \Gamma }, если индексы попарно различны. Здесь Γ\Gamma — матрица метрического тензора, N(i1…in)N\left(i_{1} \ldots i_{n}\right) — число нарушений порядка в перестановке (i1,…,in);σ=1\left(i_{1}, \ldots , i_{n}\right); \sigma = 1 для правых базисов, σ=−1\sigma = - 1 для левых базисов.

?
Задача 37.3

Доказать, что во всех правых ортонормированных базисах дискриминантный тензор имеет следующие компоненты: εi1…in=0\varepsilon_{i_{1} \ldots i_{n}} = 0, если среди индексов есть равные, и εi1…in=(−1)N(i1…in)\varepsilon_{i_{1} \ldots i_{n}} = (- 1)^{N\left(i_{1} \ldots i_{n}\right)}, если i1…ini_{1} \ldots i_{n} попарно различны. Здесь N(i1…in)N\left(i_{1} \ldots i_{n}\right) — число нарушений порядка в перестановке (i1,…,in)\left(i_{1}, \ldots , i_{n}\right).

?
Задача 37.4

Какой тензор получается, если у метрического тензора поднять один индекс? Оба индекса?

?
Задача 37.5

Какой тензор получается, если у символа Кронекера опустить индекс? Поднять индекс?

?
Задача 37.6

Привести примеры свертывания с метрическим тензором, встречавшиеся в курсе линейной алгебры.

?
Задача 37.7
?
(1)

Тензор ajia_{j}^{i} определяет линейное преобразование в евклидовом пространстве En\mathcal{E}_{n}. Найти тензор, определяющий сопряженное преобразование.

(2)

Сформулировать условие, при котором тензор ajia_{j}^{i} определяет самосопряженное преобразование.

Задача 37.8

Метрический тензор и тензор aija_{ij} заданы соответственно матрицами:

?
(1)

A55,A9\mathbf{A}_{55}, \mathbf{A}_{9}. A55=[2335],A9=[9−5−53]\mathbf{A}_{55} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 3 \\ 3 & 5 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{9} = \left[\begin{smallmatrix} 9 & -5 \\ -5 & 3 \end{smallmatrix}\right].

(2)

A57,A18\mathbf{A}_{57}, \mathbf{A}_{18}. A57=[25513],A18=[1234]\mathbf{A}_{57} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 5 \\ 5 & 13 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{18} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{smallmatrix}\right].

(3)

A245,A210\mathbf{A}_{245}, \mathbf{A}_{210}. A245=[21−10−4−1052−421],A210=[013235357]\mathbf{A}_{245} = \left[\begin{smallmatrix} 21 & -10 & -4 \\ -10 & 5 & 2 \\ -4 & 2 & 1 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{210} = \left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 & 3 \\ 2 & 3 & 5 \\ 3 & 5 & 7 \end{smallmatrix}\right].

Найти матрицы тензоров:

(1) a⋅jia_{\cdot j}^{i};

(2) ai⋅⋅ja_{i \cdot }^{\cdot j};

(3) aija^{i j}.

Задача 37.9

Верно ли утверждение: если матрица тензора aija_{ij} симметрична, то симметричны и матрицы тензоров:

?
(1)

ai⋅⋅ja^{\cdot j}_{i \cdot };

(2)

aija^{ij}.

Задача 37.10

Метрический тензор и тензор ajia_{j}^{i} заданы соответственно матрицами:

?
(1)

A58,A40\mathbf{A}_{58}, \mathbf{A}_{40}. A58=[1−2−25],A40=[4−2−31]\mathbf{A}_{58} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & -2 \\ -2 & 5 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{40} = \left[\begin{smallmatrix} 4 & -2 \\ -3 & 1 \end{smallmatrix}\right].

(2)

A207,A232\mathbf{A}_{207}, \mathbf{A}_{232}. A207=[12025−20−25],A232=[123234111]\mathbf{A}_{207} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 2 & 5 & -2 \\ 0 & -2 & 5 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{232} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 & 3 \\ 2 & 3 & 4 \\ 1 & 1 & 1 \end{smallmatrix}\right].

Найти матрицы тензоров:

(1) aij⋅a_{i j}^{\cdot }

(2) ai⋅⋅ja_{i \cdot }^{\cdot j}.

Задача 37.11

Метрический тензор и тензор ajkia_{jk}^{i} заданы соответственно матрицами:

?
(1)

A55,A650\mathbf{A}_{55}, \mathbf{A}_{650}. A55=[2335],A650=[[111−1][111−1]]\mathbf{A}_{55} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 3 \\ 3 & 5 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{650} = \left[\begin{smallmatrix} \left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{smallmatrix}\right] \end{smallmatrix}\right].

(2)

A55,A651\mathbf{A}_{55}, \mathbf{A}_{651}. A55=[2335],A651=[[3425][5713]]\mathbf{A}_{55} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 3 \\ 3 & 5 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{651} = \left[\begin{smallmatrix} \left[\begin{smallmatrix} 3 & 4 \\ 2 & 5 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 5 & 7 \\ 1 & 3 \end{smallmatrix}\right] \end{smallmatrix}\right].

(3)

A207,A722\mathbf{A}_{207}, \mathbf{A}_{722}. A207=[12025−20−25],A722=[[0−1110−1−110][02−2−2022−20][0−1110−1−110]]\mathbf{A}_{207} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 & 0 \\ 2 & 5 & -2 \\ 0 & -2 & 5 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{722} = \left[\begin{smallmatrix} \left[\begin{smallmatrix} 0 & -1 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 0 & 2 & -2 \\ -2 & 0 & 2 \\ 2 & -2 & 0 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 0 & -1 & 1 \\ 1 & 0 & -1 \\ -1 & 1 & 0 \end{smallmatrix}\right]\end{smallmatrix}\right].

Найти матрицу тензора:

(1) aijka_{i j k};

(2) a⋅⋅kija_{\cdot \cdot k}^{i j};

(3) a.ji⋅ka_{. j}^{i \cdot k};

(4) aijka^{i j k}.

Задача 37.12

Метрический тензор и тензор aklija_{kl}^{ij} заданы соответственно матрицами:

?
(1)

A57,A697\mathbf{A}_{57}, \mathbf{A}_{697}. A57=[25513],A697=[[1111][0101][1122][0102]]\mathbf{A}_{57} = \left[\begin{smallmatrix} 2 & 5 \\ 5 & 13 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{697} = \left[\begin{smallmatrix} \left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 1 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 1 \end{smallmatrix}\right] \\ \left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 \\ 2 & 2 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 2 \end{smallmatrix}\right]\end{smallmatrix}\right].

(2)

A19,A694\mathbf{A}_{19}, \mathbf{A}_{694}. A19=[1112],A694=[[1234][−4−3−2−1][−4−3−2−1][5678]]\mathbf{A}_{19} = \left[\begin{smallmatrix} 1 & 1 \\ 1 & 2 \end{smallmatrix}\right], \mathbf{A}_{694} = \left[\begin{smallmatrix} \left[\begin{smallmatrix} 1 & 2 \\ 3 & 4 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} -4 & -3 \\ -2 & -1 \end{smallmatrix}\right] \\ \left[\begin{smallmatrix} -4 & -3 \\ -2 & -1 \end{smallmatrix}\right] & \left[\begin{smallmatrix} 5 & 6 \\ 7 & 8 \end{smallmatrix}\right]\end{smallmatrix}\right].

Найти матрицы тензоров:

(1) aijkla_{i j k l};

(2) aijkla^{i j k l}.

Задача 37.13

Упростить выражения:

?
(1)

(aijgjk+δijaljglk)gks\left(a_{ij} g^{jk} + \delta_{i}^{j} a_{lj} g^{lk}\right) g_{ks}

(2)

δjiδkjgklalj\delta_{j}^{i} \delta_{k}^{j} g^{kl} a_{lj}

(3)

aijgjkgklglsa_{ij} g^{jk} g_{kl} g^{ls}.

Задача 37.14

Известно, что akij=gilgjmalmka_{k}^{ij} = g^{il} g^{jm} a_{lmk}. Выразить almka_{lmk} через akija_{k}^{ij}.

?
Задача 37.15

Пусть φ\varphi — линейное преобразование евклидова пространства, φ∗\varphi^{ * } — сопряженное преобразование. У тензора, соответствующего произведению преобразований φφ∗\varphi \varphi^{ * }, опускают индекс. Показать, что полученный тензор имеет тип (0,2)(0, 2) и симметричен.

?
Задача 37.16

В двумерном евклидовом пространстве E2\mathcal{E}_{2} вектору ξk\xi^{k} сопоставляется вектор gijεjkξkg^{ij} \varepsilon_{jk} \xi^{k}. Доказать, что этим определено линейное преобразование пространства E2\mathcal{E}_{2}, и выяснить его геометрический смысл.

?
Задача 37.17

В трехмерном евклидовом пространстве паре векторов ξi,ηj\xi^{i}, \eta^{j} сопоставляется вектор ζk=gklεlijξiηj\zeta^{k} = g^{kl} \varepsilon_{lij} \xi^{i} \eta^{j}. Доказать, что вектор ζk\zeta^{k} есть векторное произведение векторов ξi\xi^{i} и ηj\eta^{j}.

?
Задача 37.18

В четырехмерном евклидовом пространстве векторам x,y,zx, y, z с компонентами ξi,ηj,ζk\xi^{i}, \eta^{j}, \zeta^{k} сопоставляется линейная функция ff с коэффициентами ϰl=εijklξiηjζk\varkappa_{l} = \varepsilon_{ijkl} \xi^{i} \eta^{j} \zeta^{k}. Доказать, что f(x)=f(y)=f(z)=0\mathrm{f}(x) = \mathrm{f}(y) = \mathrm{f}(z) = 0.

?
Задача 37.19

В четырехмерном евклидовом пространстве векторам x,y,zx, y, z с компонентами ξi,ηj,ζk\xi^{i}, \eta^{j}, \zeta^{k} сопоставляется вектор uu с компонентами gmlεlijkξiηjζkg^{ml} \varepsilon_{lijk} \xi^{i} \eta^{j} \zeta^{k}.

?
(1)

Доказать, что вектор uu ортогонален векторам x,y,zx, y, z.

(2)

Доказать, что вектор uu, соответствующий тройке x,y,zx, y, z, отличается множителем - 1 от вектора uu, соответствующего тройке y,x,zy, x, z.