Индексные обозначения

Если нам дана совокупность трех независимых переменных, то они могут быть обозначены тремя различными буквами, например x,y,z, но мы считаем более удобным обозначать переменные данной совокупности одной и той же буквой, различая их посредством индексов. Таким образом, мы можем записать три переменные в виде , или в более компактной форме:

(2.1)

Здесь мы написали индекс внизу, но в равной мере мы могли бы использовать вместо этого верхний значок, так что переменные были бы записаны в виде или

(2.2)

Однородная линейная функция переменных обычно записывается в виде

(2.3)

где - константы. Таким образом, коэффициенты линейной формы могут быть записаны в виде

Объекты, которые, подобно и , зависят только от одного индекса, называются объектами первого порядка, а отдельные буквы с индексами и называются элементами или составляющими объекта. Объекты первого порядка, имеющие три составляющие, назовем трехмерными. Имеются два типа объектов первого порядка, а именно те, у которых индекс вверху, и те, у которых индекс внизу; следовательно, все объекты первого порядка принадлежат к одному из двух типов

(2.4)

С другой стороны, однородная квадратичная функция трех переменных имеет вид

(2.5)

где а_тп - константы. Мы видим, что коэффициенты квадратичной формы зависят от двух индексов и записываются так:

Составляющие этого объекта преобразуются следующим образом:

Следовательно, эта формула дает один из способов, с помощью которого может быть преобразован объект первого порядка. Любой объект, составляющие которого преобразуются по этому закону, называется контравариантным вектором. Таким образом, есть контравариантный вектор, если при линейном преобразовании переменных (1.1) его преобразованные составляющие определяются формулами

(2.6)

Имеется и другой способ преобразования элементов объекта первого порядка. Мы уже видели, что коэффициенты линейной формы переменных x также образуют объект первого порядка. Таким образом, коэффициенты линейной формы являются составляющими объекта . Предположим, что составляющие преобразуются таким образом, что линейная форма остается инвариантной относительно преобразования переменных (1.1). Если мы обозначим через новые составляющие объекта (после преобразования), то получим

,

так как эта линейная форма есть инвариант. Тогда из (1.3) следует

Поскольку немой индекс может быть обозначен любой буквой, то эту систему уравнений можно записать в виде

Если это соотношение справедливо для всех значений переменных , то должно выполняться равенство

(2.7)

Это преобразование, очевидно, отлично от преобразования, задаваемого формулой (2.6). Объект первого порядка, составляющие которого преобразуются по этому закону, называется ковариантным вектором.

Таким образом, у нас есть два типа тензоров первого порядка, и мы условимся различать их с помощью положения индекса. Если - тензор контравариантен, мы используем верхний индекс, если же он ковариантен, то нижний. Другими словами, верхний индекс обозначает контравариантностъ, а нижний индекс — ковариантность.

Объекты, которые зависят от двух индексов, называются объектами второго порядка. Из того, что индексы бывают верхние и нижние, следует, что объекты второго порядка могут быть трех типов:

(2.8)

Легко видеть, что в этом случае каждый объект имеет 9 составляющих.

Аналогично можно получить объекты третьего порядка, которые будут зависеть от трех индексов и могут принадлежать к любому из четырех типов:

(2.9)

Здесь каждый объект содержит или 27 составляющих. Мы можем продолжать это построение и получить объекты любого порядка.

Для законченности этой последовательности мы назовем объект а, не имеющий индексов, объектом нулевого порядка. Если этот объект имеет одно и то же значение и в новых переменных и в старых переменных , то он называется скаляром, или инвариантом. Следовательно, если а есть инвариант, то

, (2.10)

где есть значение данного объекта в новых переменных.

Мы взяли число измерений равным трем лишь для определенности. Все, что было сказано выше, применимо также к любому числу измерений, если условиться, что число значений, пробегаемых индексом, равно числу измерений. Например, если число измерений равно четырем, следует считать, что индексы могут пробегать значения от 1 до 4, а не от 1 до 3, как предполагалось выше.