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2021년 11월 27일 토요일

3.3.3. Covariant Differentiation and Christoffel Symbol (2) - 3.3.3.3 Generalization of Covariant Differentiation & 3.3.3.4 Christoffel Transformation


3.3.3.3 Generalization of Covariant Differentiation (Moore의 17장 및 Problem 참조)

<Reference>
  • https://physicspages.com/Moore%20Relativity.html Moore Problem 17.2 COVARIANT DERIVATIVE OF A GENERAL TENSOR”

  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


DabcAaBbCc=scalar 이므로 d(DabcAaBbCc)=d(DabcAaBbCc)가 성립

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(dAaΓmadAm)BbCc+DabcAa(dBb+ΓbmdBm)Cc +DabcAaBb(dCc+ΓcmdCm)

d(DabcAaBbCc)=d(DabcAaBbCc) 이므로 (dDabc)AaBbCc+Dabc(dAaΓmadAm)BbCc+DabcAa(dBb+ΓbmdBm)Cc+DabcAaBb(dCc+ΓcmdCm) =(dDabc)AaBbCc+Dabc(dAa)BbCc+DabcAa(dBb)Cc+DabcAaBb(dCc)

(dDabc)AaBbCc=(dDabc)AaBbCc+DabcΓmadAmBbCcDabcΓbmdAaBmCcDabcΓcmdAaBbCm
DabcΓmadAmBbCc 항은 ma,am 이면, DmbcΓamdAaBbCc
DabcΓbmdAaBmCc 항은 mb,bm 이면, DamcΓmbdAaBbCc.
DabcΓcmdAaBbCm 항은 mc,cm 이면, DabmΓmcdAaBbCc

(dDabc)AaBbCc=(dDabc)AaBbCc+DmbcΓamdAaBbCcDamcΓmbdAaBbCcDabmΓmcdAaBbCc dDabc=dDabc+ΓamdDmbcDamcΓmbdDabmΓmcd

  공변 미분의 일반화















3.3.3.4 Christoffel Transformation


<Reference>
  • Ryder, “Introduction to General Relativity 3.11. Some relations involving connection coefficients””

  cAa=Aa;c=Aa,cΓbacAb

Aa;cAb는 Tensor인 반면, Aa,cΓbac는 Tensor가 아님

Aa;cAb는 Tensor 이므로 각각 다음을 만족한다

 A'  a  ;c= xd x'a xe x'cAd  ;e

 A'b= xf x'bAf

Aa,c=xc(Aa)=xc(xfxaAf)=xfxaAfxc+2xfxcxaAf=xfxaxdxcAfxd+2xfxcxaAf =xfxaxdxcdAf+2xfxcxaAf

 Partial Derivative 과정과 동일하나 다음과 같이 변환함을 주의

 Ab=xfxbAf에서 Af와 동일하게 하기 위하여 Aa=xfxaAf로 공변 변환

 Aa;c=xdxaxexcAd;e의 d가 나타나도록 Afxc=xdxcAfxd=xdxcdAf게 변환

Aa;c=Aa,cΓbacAb에 위에서 산출한 식들을 대입하면,

 xdxaxexcAd;e=xfxaxdxcdAf+2xfxcxaAfΓbacxfxbAf

 우변에서 A Vector가 f로 일치되어 있음을 알 수 있음

 공변 미분(Aa;c=Aa,cΓbacAb)을 이용하여 dAf=Af,d를 표현하면, Af;d=Af,dΓefdAe 이므로 Af,d=Af;d+ΓefdAe를 위 식에 대입
 xd x'a xe x'cAd  ;e=xfx'a xdx'c(Af  ;d+ ΓefdAe)+2xfx'cx' aA f-Γbac xf x'bAf
=xfx'a xdx'cAf  ;d+xfx'a xdx'cΓefdAe+2xfx'cx' aA f-Γbac xf x'bAf
Γacb xf x'bAf=xfx'a xdx'cΓfdeAe+2xfx'cx' aA f   xd x'a xe x'cAd  ;e=xfx'a xdx'cAf  ;d , (df, ed)

By relabelling ({\rm{A}}_{\bf{f}}^{} Vector가 임의의 Vector이므로 label 혹은 Index를 변경 가능)
Γacb xf x'bAf=xex'a xdx'cΓedfAf+2xfx'cx' aA f=xex'a xdx'cΓedfAf+2xfx'cx' aA f
Γacb xf x'b=xex'a xdx'cΓedf+2xfx'cx' a
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}}}}}}

  cAa= A'  ;ca= cA'a+Γbca A'b

{\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{\rm{a}}{{\rm{A}}^{\rm{b}}}는 Tensor인 반면, {\rm{A}}_{{\rm{\;\;}},{\rm{\;c}}}^{\rm{a}}{\rm{\Gamma }}_{{\rm{bc}}}^{\rm{a}}는 Tensor가 아님

{\rm{A}}_{{\rm{\;\;}};{\rm{c}}}^{\rm{a}}{{\rm{A}}^{\rm{b}}}는 Tensor 이므로 각각 다음을 만족한다

 A  ;c' a= x'a xd xe x'cA  ;ed

 A' b= x'b xfAf

A'  , ca=x'cA' a=x'cx'axfA f=2x'ax'cxfA f+x'axf A fx'c=2x'ax'cxfA f+x'axfxdx'cA fxd
=x'axfxdx'cdA f+2x'ax'cxfA f

 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,

  x'a xd xe x'cA  ;ed=x'axfxdx'cdA f+2x'ax'cxfA f+Γbca x'b xfAf

 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
 x'a xd xe x'cA  ;ed=x'axfxdx'cA  ;df- ΓedfAe+2x'ax'cxfA f+Γbca x'b xfAf
=x'axfxdx'cA  ;df-x'axfxdx'cΓedfAe+2x'ax'cxfA f+Γbca x'b xfAf
Γbca x'b xfAf=x'axfxdx'cΓedfAe-2x'ax'cxfA f   x'a xd xe x'cA  ;ed=x'axfxdx'cA  ;df , (df, ed)

By relabelling ({\rm{A}}_{\bf{f}}^{} Vector가 임의의 Vector이므로 label 혹은 Index를 변경 가능)
Γbca x'b xfAf=x'axexdx'cΓfdeAf-2x'ax'cxfA f=x'axexdx'cΓfde-2x'ax'cxfA f     (ef, fe)
Γbca x'b xf=x'axexdx'cΓfde-2x'ax'cxf

양변에 \frac{{\partial {\rm{\;}}{x^{\rm{f}}}}}{{\partial {\rm{\;}}{x^{{\rm{'b}}}}}}. 를 곱하면,
Γbca=xdx'cΓfde- xf x'b2x'ax'cxf=x'axe xf x'bxdx'cΓfde- xfx'b xex'c2x'a xexf =x'axe xf x'bxdx'cΓfde- xfx'b xdx'c2x'a xdxf


  Ryder 책 연습문제에서는 쉽게 풀린다고 하는데…. 난 왜 이렇게 힘들게? 다른 책은?