3.3.3.3 Generalization of Covariant Differentiation (Moore의 17장 및 Problem 참조)
- https://physicspages.com/Moore%20Relativity.html Moore Problem 17.2 COVARIANT DERIVATIVE OF A GENERAL TENSOR”
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앞장(chapter 3.3.3.2)의 공변 미분은 Tensor Type (1,0) 혹은 Tensor Type(0,1) 경우에 해당한다. 다음은 Mixed Tensor Type(1,2)의 공변 미분을 유도한다. 동 방법은 Moore 참조
∂d(DabcAaBbCc)=(∂dDabc)AaBbCc+Dabc(∂dAa)BbCc+DabcAa(∂dBb)Cc+DabcAaBb(∂dCc) ∇d(DabcAaBbCc)=(∇dDabc)AaBbCc+Dabc(∇dAa)BbCc+DabcAa(∇dBb)Cc+DabcAaBb(∇dCc) ∇d(DabcAaBbCc)=(∇dDabc)AaBbCc+Dabc(∇dAa)BbCc+DabcAa(∇dBb)Cc+DabcAaBb(∇dCc) =(∇dDabc)AaBbCc+Dabc(∂dAa−ΓmadAm)BbCc+DabcAa(∂dBb+ΓbmdBm)Cc +DabcAaBb(∂dCc+ΓcmdCm)
∇d(DabcAaBbCc)=∂d(DabcAaBbCc) 이므로 (∇dDabc)AaBbCc+Dabc(∂dAa−ΓmadAm)BbCc+DabcAa(∂dBb+ΓbmdBm)Cc+DabcAaBb(∂dCc+ΓcmdCm) =(∂dDabc)AaBbCc+Dabc(∂dAa)BbCc+DabcAa(∂dBb)Cc+DabcAaBb(∂dCc)
(∇dDabc)AaBbCc=(∂dDabc)AaBbCc+DabcΓmadAmBbCc−DabcΓbmdAaBmCc−DabcΓcmdAaBbCm
DabcΓmadAmBbCc 항은 m→a,a→m 이면, DmbcΓamdAaBbCc
DabcΓbmdAaBmCc 항은 m→b,b→m 이면, DamcΓmbdAaBbCc.
DabcΓcmdAaBbCm 항은 m→c,c→m 이면, DabmΓmcdAaBbCc
(∇dDabc)AaBbCc=(∂dDabc)AaBbCc+DmbcΓamdAaBbCc−DamcΓmbdAaBbCc−DabmΓmcdAaBbCc ∇dDabc=∂dDabc+ΓamdDmbc−DamcΓmbd−DabmΓmcd
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공변 미분의 일반화
3.3.3.4 Christoffel Transformation
- Ryder, “Introduction to General Relativity 3.11. Some relations involving connection coefficients””
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∇cA′a=A′a;c=A′a,c−ΓbacA′b
○ A′a;c와 A′b는 Tensor인 반면, A′a,c와 Γbac는 Tensor가 아님
○ A′a;c와 A′b는 Tensor 이므로 각각 다음을 만족한다
♦ A' a ;c=∂ xd∂ x'a∂ xe∂ x'cAd ;e
♦ A'b=∂ xf∂ x'bAf
○ A′a,c=∂∂x′c(A′a)=∂∂x′c(∂xf∂x′aAf)=∂xf∂x′a∂Af∂x′c+∂2xf∂x′c∂x′aAf=∂xf∂x′a∂xd∂x′c∂Af∂xd+∂2xf∂x′c∂x′aAf =∂xf∂x′a∂xd∂x′c∂dAf+∂2xf∂x′c∂x′aAf
♦ Partial Derivative 과정과 동일하나 다음과 같이 변환함을 주의
♦ A′b=∂xf∂x′bAf에서 Af와 동일하게 하기 위하여 Aa=∂xf∂x′aAf로 공변 변환
♦ A′a;c=∂xd∂x′a∂xe∂x′cAd;e의 d가 나타나도록 ∂Af∂x′c=∂xd∂x′c∂Af∂xd=∂xd∂x′c∂dAf게 변환
○ Aa;c=Aa,c−ΓbacAb에 위에서 산출한 식들을 대입하면,
♦ ∂xd∂x′a∂xe∂x′cAd;e=∂xf∂x′a∂xd∂x′c∂dAf+∂2xf∂x′c∂x′aAf−Γbac∂xf∂x′bAf
♦ 우변에서 A Vector가 f로 일치되어 있음을 알 수 있음
♦ 공변 미분(Aa;c=Aa,c−ΓbacAb)을 이용하여 ∂dAf=Af,d를 표현하면, Af;d=Af,d−ΓefdAe 이므로 Af,d=Af;d+ΓefdAe를 위 식에 대입
∂ xd∂ x'a∂ xe∂ x'cAd ;e=∂xf∂x'a ∂xd∂x'c(Af ;d+ ΓefdAe)+∂2xf∂x'c∂x' aA f-Γbac∂ xf∂ x'bAf
=∂xf∂x'a ∂xd∂x'cAf ;d+∂xf∂x'a ∂xd∂x'cΓefdAe+∂2xf∂x'c∂x' aA f-Γbac∂ xf∂ x'bAf
By relabelling ({\rm{A}}_{\bf{f}}^{} Vector가 임의의 Vector이므로 label 혹은 Index를 변경 가능)
양변에 \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'b}}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{f}}}}}를 곱하면,
\therefore {\rm{\Gamma }}_{{\rm{ac}}}^{\bf{b}} = \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'b}}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{f}}}}}\frac{{\partial {x^{\bf{e}}}}}{{\partial {x^{{\rm{'a}}}}}}{\rm{\;}}\frac{{\partial {x^{\rm{d}}}}}{{\partial {x^{{\rm{'c}}}}}}{\rm{\Gamma }}_{{\rm{ed}}}^{\rm{f}} + \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'b}}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{f}}}}}\frac{{{\partial ^2}{x^{\rm{f}}}}}{{\partial {x^{{\rm{'c}}}}\partial {x^{{\rm{'\;a}}}}}}
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○ {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{\rm{a}}와 {{\rm{A}}^{\rm{b}}}는 Tensor인 반면, {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;c}}}^{\rm{a}}와 {\rm{\Gamma }}_{{\rm{bc}}}^{\rm{a}}는 Tensor가 아님
○ {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{\rm{a}}와 {{\rm{A}}^{\rm{b}}}는 Tensor 이므로 각각 다음을 만족한다
♦
♦
○
♦ Partial Derivative 과정과 동일하나 다음과 같이 변환함을 주의
♦ {A^{{\rm{'\;}}{\bf{b}}}} = \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'b}}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{f}}}}}{\rm{A}}_{}^{\rm{f}}에서 {\rm{A}}_{}^{\bf{f}}와 동일하게 하기 위하여 {\rm{A'}}_{}^{\rm{a}} = \frac{{\partial {x^{{\rm{'a}}}}}}{{\partial {x^{\rm{f}}}}}{\rm{A}}_{\rm{\;}}^{\bf{f}}로 반변 변환
♦ {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{{\rm{'\;a}}} = \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'a}}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{d}}}}}\frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{e}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'c}}}}}}{\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{e}}}^{\rm{d}}의 d가 나타나도록 \frac{{\partial {\rm{A}}_{\rm{\;}}^{\bf{f}}}}{{\partial {x^{{\rm{'c}}}}}} = \frac{{\partial {x^{\bf{d}}}}}{{\partial {x^{{\rm{'c}}}}}}\frac{{\partial {\rm{A}}_{\rm{\;}}^{\bf{f}}}}{{\partial {x^{\bf{d}}}}} = \frac{{\partial {x^{\bf{d}}}}}{{\partial {x^{{\rm{'c}}}}}}\partial _{\rm{d}}^{}{\rm{A}}_{\rm{\;}}^{\bf{f}}게 변환
○ {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{\rm{a}} = {\rm{\;\;A}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;c}}}^{\rm{a}} - {\rm{\;\Gamma }}_{{\bf{b}}{\rm{c}}}^{\rm{a}}{\rm{A}}_{}^{\bf{b}}에 위에서 산출한 식들을 대입하면,
♦
♦ 우변에서 A Vector가 f로 일치되어 있음을 알 수 있음
♦ 공변 미분({\rm{A'}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{\rm{a}} = {\rm{\;\;A'}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;c}}}^{\rm{a}} - {\rm{\;\Gamma }}_{{\bf{b}}{\rm{c}}}^{\rm{a}}{\rm{A'}}_{}^{\bf{b}}{\rm{\;}})을 이용하여 \partial _{\rm{d}}^{}{\rm{A}}_{\rm{\;}}^{\bf{f}} = {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;d}}}^{\rm{f}}를 표현하면, {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{d}}}^{\rm{f}} = {\rm{\;\;A}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;d}}}^{\rm{f}} + {\rm{\;\Gamma }}_{{\bf{e}}{\rm{d}}}^{\rm{f}}{\rm{A}}_{}^{\bf{e}} 이므로 \partial _{\rm{d}}^{}{\rm{A}}_{\rm{\;}}^{\bf{f}} = {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;d}}}^{\rm{f}} = {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{d}}}^{\rm{f}} - {\rm{\;\Gamma }}_{{\bf{e}}{\rm{d}}}^{\rm{f}}{\rm{A}}_{}^{\bf{e}}를 위 식에 대입
By relabelling ({\rm{A}}_{\bf{f}}^{} Vector가 임의의 Vector이므로 label 혹은 Index를 변경 가능)
양변에 \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{f}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'b}}}}}}. 를 곱하면,
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Ryder 책 연습문제에서는 쉽게 풀린다고 하는데…. 난 왜 이렇게 힘들게? 다른 책은?