Elementy analizy tensorowej - Uniwersytet Jagielloński

1.4. Przestrzenie R n i E n 17tycznym. Jednak jedno pole wektorowe nie wystarczy i musimy wprowadzićtwór ogólniejszy, antysymetryczny tensor natężenia pola elektromagnetycznegookreślony w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Ten i wiele innych ważnychw zastosowaniach tensorów można przedstawić jako macierze kwadratoweo wymiarze równym wymiarowi przestrzeni, w której są określone. Za pomocątakich tensorów (ściślej — pól tensorowych) opisujemy naprężenia w skorupieziemskiej (zmienne w momencie trzęsienia ziemi), rozmieszczenie gęstościenergii, pędu i ciśnienia w płynącej cieczy (huragan lub fale morskie) oraz własnościoptyczne kryształów. W samej geometrii określenie iloczynu skalarnegowektorów i odległości punktów bliskich wymaga wprowadzenia symetrycznegotensora metrycznego, który tym samym staje się fundamentalnym obiektemgeometrycznym dla danej rozmaitości. Są też tensory bardziej złożone, najważniejszymz nich jest tensor krzywizny dla rozmaitości z koneksją afiniczną.Tradycyjne podejście do tensorów opierało się na pojęciu obiektu geometrycznego,któremu nie nadawano precyzyjnej treści w postaci aksjomatycznejdefinicji, lecz jedynie podawano jego własności transformacyjne przy zmianieukładu współrzędnych. Podejście to okazało się niezadowalające i obecnie tensorydefiniuje się jako odwzorowania wieloliniowe. W tej książce będziemy odczasu do czasu posługiwać się pojęciem obiektu, nadając mu czysto intuicyjnysens: jest to twór matematyczny, który ma treść geometryczną, a więc niejest całkowicie zależny od wyboru układu współrzędnych. Do obiektów geometrycznychzaliczamy wszelkie figury geometryczne (to, czy punkty przestrzenisą obiektami, jest kwestią konwencji), funkcje, odcinki skierowane, wektory,formy liniowe (odwzorowania wektorów w liczby), jak również metodę przesuwaniarównoległego wektora z jednego miejsca w inne oraz tensory. Tensory sątakim uogólnieniem wektorów i funkcji rzeczywistych, że różniczkowanie póltensorowych jest jednoznacznie określone przez różniczkowanie wektorów.Przez rachunek tensorowy rozumiemy zatem analizę tensorową na dowolnejrozmaitości różniczkowej. Najpierw trzeba zdefiniować rozmaitość. Robimyto za pomocą przestrzeni R n . Zaczynamy od przypomnienia potrzebnych tuwiadomości z analizy.1.4. Przestrzenie R n i E nW analizie matematycznej występuje kilka różnych przestrzeni R n powstającychprzez nakładanie dodatkowych struktur na przestrzenie o mniejszej liczbiewłasności.• Arytmetyczna przestrzeń R n . Jest to zbiór arytmetycznych ciągów n liczbrzeczywistych, R n = {(x 1 ,x 2 ,... ,x n ) : x i ∈ R}, bez żadnej dodatkowej struktury.Ciągi te nazywamy punktami, a liczby x i , i = 1,... ,n, są współrzędnymipunktu x = (x i ) = (x 1 ,x 2 ,... ,x n ) ∈ R n . Zbiór R n ma strukturę iloczynu kartezjańskiegon egzemplarzy zbioru liczb rzeczywistych, R n = R × R... × R,R 1 ≡ R.