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Geometrical Anatomy of Theoretical Physics 笔记(上)

date: 2024-02-01
tags: 数学  

看的是 Frederic Schuller 的课:https://www.youtube.com/playlist?list=PLPH7f_7ZlzxTi6kS4vCmv4ZKm9u8g5yic

Lec 4 Topological spaces - construction and purpose

定义:令 MM 为某个集合,那么 O⊆P(M)\mathcal{O} \subseteq \mathcal{P}(M) 被称为 topology on MM,如果:

  • ∅∈O\emptyset \in \mathcal{O} 且 M∈OM \in \mathcal{O}
  • U,V∈O⇒U∩V∈OU,V \in \mathcal{O} \Rightarrow U \cap V \in \mathcal{O}
  • C⊆O⇒∪C∈O\mathcal{C} \subseteq \mathcal{O} \Rightarrow \cup \mathcal{C} \in \mathcal{O}

且 (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 topological space。

  • Remark:除非 ∣M∣=1|M|=1,那么对于 MM 可以选择多个不同的 topology。

  • 例如:

    • ∀M,O={∅,M}\forall M, \mathcal{O} = \{\emptyset, M\} 是 topology,被称为 chaotic topology;
    • ∀M,O=P(M)\forall M, \mathcal{O} = \mathcal{P}(M),被称为 discrete topology;
    • M=RdM = \mathbb{R}^d,OstandardRdO_{\text{standard}}^{\mathbb{R}^d} 通过以下步骤构造:
      1. ∀x∈Rd,∀r∈R+\forall x \in \mathbb{R}^d, \forall r \in \mathbb{R}^+,定义 Br(x):={y∈Rd∣∣∣y−x∣∣2<r}B_r(x) := \{y \in \mathbb{R}^d \mid ||y-x||_2 < r\} 为 xx 处半径为 rr 的 open ball(这里可以不是 2-范数)。
      2. 对于 ∀p∈U∈OstandardRd,∃r∈R+ s.t. Br(p)⊆U\forall p \in U \in \mathcal{O}_{\text{standard}}^{\mathbb{R}^d}, \exists r \in \mathbb{R}^+ \text{ s.t. } B_r(p) \subseteq U
    • 可以证明 OstandardRd\mathcal{O}_{\text{standard}}^{\mathbb{R}^d} 是一个 topology。

construction of new topology from given topologies

定义:对于 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 来说,如果 N⊆MN \subseteq M,那么 O∣N:={U∩N∣U∈O}\mathcal{O}|_N := \{U \cap N \mid U \in \mathcal{O}\} 是 NN 上的 topology,被称为 induced (subset) topology。

定义:(M,O)(M, \mathcal{O}) 为 topological space,C⊆MC \subseteq M 被称为 closed,如果 M∖CM \setminus C 是 open 的。

定义:给定 (A,OA),(B,OB)(A, \mathcal{O}_A), (B, \mathcal{O}_B),其 product topology OA×B\mathcal{O}_{A \times B} 定义为: U∈OA×B  ⟺  ∀(a,b)∈U,∃S∈OA,∃T∈OB s.t. (a,b)∈S×T⊆UU \in \mathcal{O}_{A \times B} \iff \forall (a,b) \in U, \exists S \in \mathcal{O}_A, \exists T \in \mathcal{O}_B \text{ s.t. } (a,b) \in S \times T \subseteq U

convergence

定义:一个序列 q:N→Mq: \mathbb{N} \to M 在 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 上,被称为收敛至 a∈Ma \in M,如果 ∀U∈O with a∈U,∃N∈N s.t. ∀n>N,q(n)∈U\forall U \in \mathcal{O} \text{ with } a \in U, \exists N \in \mathbb{N} \text{ s.t. } \forall n > N, q(n) \in U

  • 例如:
    • 对于 chaotic topology,所有序列都在任何一点收敛;
    • 对于 discrete topology,只有 almost constant sequence 收敛(即只有有限项不是常数);
    • (Rd,Ost)(\mathbb{R}^d, \mathcal{O}_{\text{st}}),就是我们通常的收敛定义。

continuity

定义:给定 topological spaces (M,OM),(N,ON)(M, \mathcal{O}_M), (N, \mathcal{O}_N),考虑映射 ϕ:M→N\phi: M \to N。ϕ\phi 被称为 continuous 如果 ∀V∈ON,ϕ−1(V)∈OM\forall V \in \mathcal{O}_N, \phi^{-1}(V) \in \mathcal{O}_M

  • 例如:
    • ϕ:M→N\phi: M \to N,如果为 MM 选择 discrete topology (OM=P(M)\mathcal{O}_M = \mathcal{P}(M)),那么任何映射都是连续的;
    • ϕ:M→N\phi: M \to N,如果为 NN 选择 chaotic topology (ON={∅,N}\mathcal{O}_N = \{\emptyset, N\}),那么任何映射都是连续的;
    • 如果两者都选 standard topology,就会回到普通的连续性定义。

定义:ϕ:M→N\phi: M \to N 是一个双射(bijection)。如果我们为 M,NM, N 配备拓扑 (M,OM),(N,ON)(M, \mathcal{O}_M), (N, \mathcal{O}_N),那么我们称 ϕ\phi 为 homeomorphism,如果 ϕ\phi 和 ϕ−1\phi^{-1} 都是连续的。

  • Remark:Homeomorphism 是拓扑学中的“结构保持映射”。如果两个拓扑空间之间存在同胚映射,我们称它们是同胚的,记为 (M,OM)≅topo(N,ON)(M, \mathcal{O}_M) \cong_{\text{topo}} (N, \mathcal{O}_N)。

Lec 5 Topological spaces - some heavily used invariants

separation properties

定义:一个 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 T1,如果对于任意两个不同的点 p≠qp \ne q,存在开集 U∈OU \in \mathcal{O} 使得 p∈Up \in U 且 q∉Uq \notin U。

定义:一个 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 T2 或 Hausdorff space,如果对于任意两个不同的点 p≠qp \ne q,存在不相交的开集 U,V∈OU, V \in \mathcal{O} 使得 p∈U,q∈Vp \in U, q \in V 且 U∩V=∅U \cap V = \emptyset。

  • 例如:
    • (Rd,Ost)(\mathbb{R}^d, \mathcal{O}_{\text{st}}) 是 T2,因此也是 T1。
    • Zariski topology(来自代数几何)是 T1,但不是 T2。
    • Chaotic topology {∅,M}\{\emptyset, M\} 不是 T1。
  • Remark:还有 T2 1/2、T3、T4 等更强的分离公理。
  • 可以证明,在 Hausdorff 空间中,任何收敛序列的极限是唯一的。

compactness & paracompactness

我们常会先在紧空间(compact)的场景下证明拓扑空间的性质,然后再尝试扩展至非紧的情况。仿紧性(paracompactness)则是一个弱很多的特性,很难找到不是仿紧的拓扑空间,所以大多数后面的定理都会用仿紧作为基本假设(类似于用上面的 T2 做假设)。

定义:一个 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 compact,如果它的所有开覆盖(open cover)都有一个有限的子覆盖(subcover),即: C⊆O,∪C=M  ⟹  ∃C~⊆C such that C~ is finite and ∪C~=M\mathcal{C} \subseteq \mathcal{O}, \cup \mathcal{C} = M \implies \exists \tilde{\mathcal{C}} \subseteq \mathcal{C} \text{ such that } \tilde{\mathcal{C}} \text{ is finite and } \cup \tilde{\mathcal{C}} = M

定义:集合 N⊆MN \subseteq M 被称为 compact,如果 (N,O∣N)(N, \mathcal{O}|_N) 是一个紧拓扑空间。

定理 (Heine-Borel):在一个度量空间 (M,d)(M, d)(具有度量诱导的拓扑)中,任何闭合且有界的子集都是紧的。

  • 这里的 metric 指 d:M×M→R0+d: M \times M \to \mathbb{R}_0^+,满足:

    • d(m,m)=0d(m, m) = 0
    • d(m,n)>0d(m, n) > 0 当 m≠nm \ne n 时
    • d(a,b)+d(b,c)≥d(a,c)d(a, b) + d(b, c) \ge d(a, c) (三角不等式)
  • 在微分几何中,"metric" 的定义有所不同。

  • 度量诱导的拓扑与 Rd\mathbb{R}^d 上的标准拓扑类似,其开球由度量定义: Br(p)={q∣d(q,p)<r}B_r(p) = \{q \mid d(q, p) < r\}

  • 一个有名的例子是 French railroad metric:所有火车都必须先经过巴黎。

  • 例如:

    • [0,1][0,1] 是紧的。
    • R\mathbb{R} 不是紧的(可以通过构造一个没有有限子覆盖的开覆盖来证明)。

定理:如果 (M,OM)(M, \mathcal{O}_M) 和 (N,ON)(N, \mathcal{O}_N) 是紧的,那么 (M×N,OM×N)(M \times N, \mathcal{O}_{M \times N}) 也是紧的。

定义:一个 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 paracompact,如果它的所有开覆盖 C\mathcal{C} 都有一个局部有限(locally finite)的开加细(open refinement)C~\tilde{\mathcal{C}}。

  • Open refinement:C~\tilde{\mathcal{C}} 仍然是一个开覆盖,它满足 ∀U~∈C~,∃U∈C s.t. U~⊆U\forall \tilde{U} \in \tilde{\mathcal{C}}, \exists U \in \mathcal{C} \text{ s.t. } \tilde{U} \subseteq U。

  • 所有子覆盖都是加细。

  • Locally finite:∀p∈M\forall p \in M,存在一个包含 pp 的邻域 V∈OV \in \mathcal{O},它只与 C~\tilde{\mathcal{C}} 中有限个成员相交(即 V∩U~≠∅V \cap \tilde{U} \ne \emptyset 只对有限个 U~∈C~\tilde{U} \in \tilde{\mathcal{C}} 成立)。

  • 推论:紧空间必为仿紧空间。

  • 定理:所有可度量化空间(metrizable space)都是仿紧的。

  • 定理:如果 (M,OM)(M, \mathcal{O}_M) 是仿紧的,(N,ON)(N, \mathcal{O}_N) 是紧的,那么 M×NM \times N 是仿紧的。

  • 定理:令 (M,O)(M, \mathcal{O}) 是一个 Hausdorff 空间,那么它是仿紧的,当且仅当它的所有开覆盖都容许一个从属于该覆盖的单位分解(partition of unity)。

    • 单位分解 是一个连续函数集合 F\mathcal{F},其中 f:M→[0,1]f: M \to [0, 1],且满足:
      1. ∀f∈F,∃U∈C s.t. supp(f)⊆U\forall f \in \mathcal{F}, \exists U \in \mathcal{C} \text{ s.t. } \text{supp}(f) \subseteq U。
      2. ∀p∈M\forall p \in M, 存在 pp 的一个开邻域 VV,使得只有有限个 f∈Ff \in \mathcal{F} 在 VV 上不为零。
      3. ∀p∈M,∑f∈Ff(p)=1\forall p \in M, \sum_{f \in \mathcal{F}} f(p) = 1。
    • 这个工具在流形上定义积分时非常有用。
  • 例如:

    • 对于 (R,Ost)(\mathbb{R}, \mathcal{O}_{\text{st}}),考虑开覆盖 C={(−∞,a),(b,+∞)}\mathcal{C} = \{(-\infty, a), (b, +\infty)\}, 其中 b<ab < a。我们可以构造:
    f1(x)={1x≤ba−xa−bb<x<a0x≥a,f2(x)={0x≤bx−ba−bb<x<a1x≥af_1(x) = \begin{cases} 1 & x \le b \\ \frac{a-x}{a-b} & b < x < a \\ 0 & x \ge a \end{cases}, \quad f_2(x) = \begin{cases} 0 & x \le b \\ \frac{x-b}{a-b} & b < x < a \\ 1 & x \ge a \end{cases}

    {f1,f2}\{f_1, f_2\} 就是从属于这个开覆盖的一个单位分解。

connectness & path-connectness

定义:一个 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 connected,除非存在两个非空、不相交的开集 A,BA, B 使得 M=A∪BM = A \cup B。

定理:[0,1][0,1] 是连通的。 定理:一个 topological space 是连通的,当且仅当 ∅\emptyset 和 MM 是唯二的既是开集又是闭集的集合。

定义:一个 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为 path-connected,如果对于任意两点 p,q∈Mp, q \in M,都存在一条连续曲线 γ:[0,1]→M\gamma: [0, 1] \to M,使得 γ(0)=p,γ(1)=q\gamma(0) = p, \gamma(1) = q。

  • 例如:Topologist's sine curve S:={(x,sin⁡(1x))∣x∈(0,1]}∪{(0,0)}⊆R2S := \{(x, \sin(\frac{1}{x})) \mid x \in (0,1]\} \cup \{(0,0)\} \subseteq \mathbb{R}^2 是连通的,但不是路径连通的。

定理:路径连通 ⇒\Rightarrow 连通。

Homotopic curves & Fundamental group

定义:两条起点和终点分别相同的曲线 γ,δ:[0,1]→M\gamma, \delta: [0, 1] \to M,被称为 homotopic,如果存在一个连续映射 h:[0,1]×[0,1]→Mh: [0, 1] \times [0, 1] \to M,使得对于所有的 λ∈[0,1]\lambda \in [0,1],都有 h(0,λ)=γ(λ)h(0, \lambda) = \gamma(\lambda) 和 h(1,λ)=δ(λ)h(1, \lambda) = \delta(\lambda)。

定义:γ∼δ  ⟺  γ,δ\gamma \sim \delta \iff \gamma, \delta 是 homotopic。这是一种等价关系。

定义:对于 topological space (M,O)(M, \mathcal{O}) 和任意点 p∈Mp \in M,定义 space of loops at pp 为: Lp:={γ:[0,1]→M∣γ is continuous,γ(0)=γ(1)=p}\mathcal{L}_p := \{\gamma: [0, 1] \to M \mid \gamma \text{ is continuous}, \gamma(0) = \gamma(1) = p\}

定义:路径的 concatenation operation ∗:Lp×Lp→Lp*: \mathcal{L}_p \times \mathcal{L}_p \to \mathcal{L}_p 定义为: (γ∗δ)(λ):={γ(2λ)0≤λ≤1/2δ(2λ−1)1/2≤λ≤1(\gamma * \delta)(\lambda) := \begin{cases} \gamma(2\lambda) & 0 \le \lambda \le 1/2 \\ \delta(2\lambda-1) & 1/2 \le \lambda \le 1 \end{cases}

定义:拓扑空间的 fundamental group (π1(M,p),⋅)(\pi_1(M, p), \cdot) 定义为: π1(M,p)=Lp/∼homotopy\pi_1(M, p) = \mathcal{L}_p / \sim_{\text{homotopy}} 其群运算 ⋅\cdot 定义为: [γ]⋅[δ]:=[γ∗δ][\gamma] \cdot [\delta] := [\gamma * \delta]

  • 例如:
    • S2S^2 (球面) 上所有的环路都是同伦的,所以它的基本群是平凡群 π1(S2,p)≅{e}\pi_1(S^2, p) \cong \{e\}。
    • C:=R×S1C := \mathbb{R} \times S^1 (圆柱),其基本群同构于整数加法群 π1(C,p)≅(Z,+)\pi_1(C, p) \cong (\mathbb{Z}, +)。
    • T2:=S1×S1T^2 := S^1 \times S^1 (环面),其基本群为 π1(T2,p)≅Z×Z\pi_1(T^2, p) \cong \mathbb{Z} \times \mathbb{Z}。

Lec 6 Topological manifolds and manifold bundles

topological manifold

粗略地说,拓扑流形(topological manifold)是一个局部看起来像 Rd\mathbb{R}^d 的拓扑空间。

定义:一个 paracompact, Hausdorff 的拓扑空间 (M,O)(M, \mathcal{O}) 被称为一个 dd-dimensional (topo) manifold,如果对于任意 p∈Mp \in M,都存在一个包含 pp 的开集 U∈OU \in \mathcal{O},以及一个同胚映射 (homeomorphism) x:U→x(U)⊆Rdx: U \to x(U) \subseteq \mathbb{R}^d。

定义:给定一个 dd 维拓扑流形 (M,O)(M, \mathcal{O}) 和一个子集 N⊆MN \subseteq M,我们称 (N,O∣N)(N, \mathcal{O}|_N) 为 submanifold,如果它本身也是一个流形。

定义:如果 (M,OM)(M, \mathcal{O}_M) 和 (N,ON)(N, \mathcal{O}_N) 分别是拓扑流形,那么 (M×N,OM×N)(M \times N, \mathcal{O}_{M \times N}) 也是一个拓扑流形,其维度为 dim⁡(M)+dim⁡(N)\dim(M) + \dim(N),称为 product manifold。

bundles

定义:一个 bundle 是一个三元组 (E,π,M)(E, \pi, M),其中:

  • EE 是一个拓扑流形,称为 total space。
  • MM 是一个拓扑流形,称为 base space。
  • π:E→M\pi: E \to M 是一个满射(surjective)连续映射,称为 projection。
  • 对于 p∈Mp \in M,集合 Fp:=π−1({p})F_p := \pi^{-1}(\{p\}) 被称为在 pp 点的 fibre。

定义:一个 bundle (E,π,M)(E, \pi, M) 如果满足 ∀p∈M\forall p \in M,其纤维 π−1({p})\pi^{-1}(\{p\}) 都同胚于某个固定的流形 FF,那么它被称为 fibre bundle,其中 FF 称为 typical fibre。这通常记为 F→E→πMF \to E \xrightarrow{\pi} M。

定义:对于一个丛 E→πME \xrightarrow{\pi} M,一个映射 σ:M→E\sigma: M \to E 被称为丛的一个 section,如果它满足 π∘σ=idM\pi \circ \sigma = \text{id}_M。

  • Product manifold ⊆\subseteq Fibre bundle ⊆\subseteq Bundle

定义:考虑两个丛 E→πME \xrightarrow{\pi} M 和 E′→π′M′E' \xrightarrow{\pi'} M',以及两个映射 u:E→E′u: E \to E' 和 f:M→M′f: M \to M'。如果 π′∘u=f∘π\pi' \circ u = f \circ \pi,则称 (u,f)(u, f) 为一个 bundlemorphism。

定义:如果一个丛同构于一个乘积丛 M×F→proj1MM \times F \xrightarrow{\text{proj}_1} M,则称该丛是 trivial 的。如果一个丛局部地同构于一个乘积丛,则称它是 locally trivial 的。

  • 例如:圆柱是 trivial 的,而莫比乌斯带是 locally trivial 但不是 trivial 的。

viewing manifold from atlases

定义:对于一个 dd 维拓扑流形 (M,O)(M, \mathcal{O}),一个二元组 (U,x)(U, x) 被称为流形的一个 chart,其中 U∈OU \in \mathcal{O} 是一个开集,x:U→x(U)⊆Rdx: U \to x(U) \subseteq \mathbb{R}^d 是一个同胚映射。xx 的分量函数 xi:U→Rx^i: U \to \mathbb{R} 称为点 p∈Up \in U 在该 chart 下的 坐标。

定义:一组覆盖了整个流形 MM 的 chart 的集合 A={(Ui,xi)}\mathcal{A} = \{(U_i, x_i)\} 被称为一个 atlas。

定义:两个 charts (U,x)(U, x) 和 (V,y)(V, y) 被称为 C^0 compatible,如果当 U∩V≠∅U \cap V \ne \emptyset 时,其转换函数 (transition map) y∘x−1:x(U∩V)→y(U∩V)y \circ x^{-1}: x(U \cap V) \to y(U \cap V) 是连续的。

定义:一个 C^0 atlas 是其中任意两个 chart 都 C^0 compatible 的 atlas。

定义:一个 C^0 atlas A\mathcal{A} 被称为 maximal,如果任何与 A\mathcal{A} 中所有 chart 都 C^0 compatible 的 chart 都已经包含在 A\mathcal{A} 中了。

Lec 7 Differentiable structures and classification

Adding structure by refining the (maximal) topological atlas

定义:我们称一个 atlas 是 X-atlas,如果其中任意两个 chart 都是 X compatible 的。这里的 X compatible 指的是它们的转换函数 y∘x−1y \circ x^{-1} 满足特定属性:

  • C^0:连续。
  • C^k:kk 次连续可微。
  • C^\infty:无限次可微,也称为 smooth。
  • C^\omega:analytic,即转换函数是实解析的(可以泰勒展开)。
  • complex:转换函数是复可微的(满足柯西-黎曼方程)。

定理 (Whitney):任何 maximal C^k-atlas (k≥1k \ge 1) 都包含一个 C^\infty-atlas,并且这个 C^\infty-atlas 是唯一的。因此,我们通常不区分 C^k (k≥1k \ge 1) 和 C^\infty 流形。

定义:一个 C^k manifold 是一个三元组 (M,O,A)(M, \mathcal{O}, \mathcal{A}),其中 (M,O)(M, \mathcal{O}) 是一个拓扑流形,A\mathcal{A} 是一个 maximal C^k atlas。

定义:令 ϕ:M→N\phi: M \to N 是 C^k 流形之间的映射。我们称 ϕ\phi 在点 p∈Mp \in M 是 differentiable 的,如果存在包含 pp 的 chart (U,x)(U, x) 和包含 ϕ(p)\phi(p) 的 chart (V,y)(V, y),使得局部坐标表示 y∘ϕ∘x−1y \circ \phi \circ x^{-1} 是 C^k 的。这个定义与 chart 的选择无关。

定义:如果 ϕ:M→N\phi: M \to N 是一个双射,且 ϕ\phi 和 ϕ−1\phi^{-1} 都是 C^\infty 的,那么 ϕ\phi 被称为 diffeomorphism。这是光滑流形之间的同构。如果这样的映射存在,我们称 MM 和 NN 是 diffeomorphic 的,记为 M≅diffNM \cong_{\text{diff}} N。

Lec 8 Vector Spaces and Tensors

vector space

定义:一个三元组 (K,+,⋅)(K, +, \cdot) 是一个 field,如果 (K,+)(K, +) 和 (K∖{0},⋅)(K \setminus \{0\}, \cdot) 都是阿贝尔群,且乘法对加法满足分配律。

定义:一个 KK-vector space 是一个三元组 (V,⊕,⊙)(V, \oplus, \odot),其中 (V,⊕)(V, \oplus) 是一个阿贝尔群,并且标量乘法 ⊙:K×V→V\odot: K \times V \to V 满足相容性和分配律。

定义:f:V→Wf: V \to W 是一个 linear map,如果它保持向量加法和标量乘法。一个双射的线性映射称为 vector space isomorphism。

术语:

  • Hom(V,W)\text{Hom}(V, W): 从 VV 到 WW 的所有线性映射构成的向量空间。
  • End(V):=Hom(V,V)\text{End}(V) := \text{Hom}(V, V): endomorphism
  • Aut(V):={f∈End(V)∣f is invertible}\text{Aut}(V) := \{f \in \text{End}(V) \mid f \text{ is invertible}\}: automorphism
  • V∗:=Hom(V,K)V^* := \text{Hom}(V, K): dual vector space

定义:一个 tensor of type (p,q) 是一个多重线性映射 T:V∗×⋯×V∗⏟p copies×V×⋯×V⏟q copies→KT: \underbrace{V^* \times \dots \times V^*}_{p \text{ copies}} \times \underbrace{V \times \dots \times V}_{q \text{ copies}} \to K 这类张量构成的空间记为 Tpq(V)\mathcal{T}^q_p(V)。

定义:对于 T∈Tpq(V)T \in \mathcal{T}^q_p(V) 和 S∈Trs(V)S \in \mathcal{T}^s_r(V),它们的 tensor product T⊗S∈Tp+rq+s(V)T \otimes S \in \mathcal{T}^{q+s}_{p+r}(V) 定义为: (T⊗S)(α1,...,αp+r,v1,...,vq+s):=T(α1,...,αp,v1,...,vq)⋅S(αp+1,...,αp+r,vq+1,...,vq+s)(T \otimes S)(\alpha_1, ..., \alpha_{p+r}, v_1, ..., v_{q+s}) := T(\alpha_1, ..., \alpha_p, v_1, ..., v_q) \cdot S(\alpha_{p+1}, ..., \alpha_{p+r}, v_{q+1}, ..., v_{q+s})

定义:向量空间 VV 的一个 (Hamel) basis B⊆VB \subseteq V 是一个线性无关的生成集。VV 的 dimension 是其基的大小,dim⁡(V)=∣B∣\dim(V) = |B|。

定理:如果 dim⁡(V)<∞\dim(V) < \infty,那么 (V∗)∗≅V(V^*)^* \cong V。

张量的分量: 令 {e1,...,ed}\{e_1, ..., e_d\} 为 VV 的一组基,{ϵ1,...,ϵd}\{\epsilon^1, ..., \epsilon^d\} 为 V∗V^* 中对应的对偶基,满足 ϵa(eb)=δba\epsilon^a(e_b) = \delta^a_b。那么张量 T∈Tpq(V)T \in \mathcal{T}^q_p(V) 的分量定义为: Ta1...apb1...bq:=T(ϵa1,...,ϵap,eb1,...,ebq)∈KT^{b_1...b_q}_{a_1...a_p} := T(\epsilon^{a_1}, ..., \epsilon^{a_p}, e_{b_1}, ..., e_{b_q}) \in K 张量可以用它的分量和基向量来重构: T=∑a1,...,ap,b1,...,bqTa1...apb1...bq eb1⊗⋯⊗ebq⊗ϵa1⊗⋯⊗ϵapT = \sum_{a_1,...,a_p,b_1,...,b_q} T^{b_1...b_q}_{a_1...a_p} \ e_{b_1} \otimes \dots \otimes e_{b_q} \otimes \epsilon^{a_1} \otimes \dots \otimes \epsilon^{a_p}

基变换: 如果我们有一组新的基 e~a=∑b=1dAabeb\tilde{e}_a = \sum_{b=1}^d A^b_a e_b (使用爱因斯坦求和约定记为 e~a=Aabeb\tilde{e}_a = A^b_a e_b),其中 AA 是一个可逆矩阵,那么 eb=(A−1)bae~ae_b = (A^{-1})^a_b \tilde{e}_a。张量的分量也会相应地进行变换。