1. notice
  2. 中文
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  5. 2. 逻辑
  6. 3. 集合论
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  9. 6. 组合
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  11. 7. 实数
  12. 8. 数列极限
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  14. 10. Euclidean 空间
  15. 11. Minkowski 空间
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  17. 13. 解析 (Euclidean)
  18. 14. 解析 (Minkowski)
  19. 15. 解析 struct 的操作
  20. 16. 常微分方程
  21. 17. 体积
  22. 18. 积分
  23. 19. 散度
  24. 20. 网极限
  25. 21. 紧致
  26. 22. 连通
  27. 23. 拓扑 struct 的操作
  28. 24. 指数函数
  29. 25. 角度
  30. 几何
  31. 26. 流形
  32. 27. 度规
  33. 28. 度规的联络
  34. 29. Levi-Civita 导数
  35. 30. 度规的曲率
  36. 31. Einstein 度规
  37. 32. 常截面曲率
  38. 33. simple-symmetric-space
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  44. 38. 非相对论点粒子
  45. 39. 相对论点粒子
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  48. 42. 非相对论纯量场
  49. 43. 光锥射影
  50. 44. 时空动量的自旋表示
  51. 45. Lorentz 群
  52. 46. 旋量场
  53. 47. 旋量场的守恒流
  54. 48. 电磁场
  55. 49. 张量场的 Laplacian
  56. 50. Einstein 度规
  57. 51. 相互作用
  58. 52. 谐振子量子化
  59. 53. 参考
  60. English
  61. 54. notice
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  112. 101. spinor-field-current
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  116. 105. interaction
  117. 106. harmonic-oscillator-quantization
  118. 107. reference

note-math

cf. #link(<metric.typ>)[]

geodesic_(tag)

测地线作为可能的 "最小长度路径". 作用量

∫𝑑𝑙=∫𝑑𝑡|𝑥̇|=∫𝑑𝑡|𝑔(𝑥̇)2|12 or  =∫𝑑𝑡|𝑔𝑖𝑖′⋅𝑥̇𝑖⋅𝑥̇𝑖′|12 or  =∫𝑑𝑡|𝑥̇⊺𝑔𝑥̇|12

ODE 初值 𝑥(0),𝑥̇(0). 测地线的定义不依赖于坐标选取

𝑑𝑙 是 metric-volume-form 𝑑 Vol =|𝑔|𝑑𝑥=|det 𝑔|12𝑑𝑥 限制在 1 dimension path. det 𝑔= det (𝑔𝑖𝑗) 是 induced quadratic-form 𝑔(𝑑𝑥1∧⋯∧𝑑𝑥𝑛)2= det (𝑔(𝑑𝑥1,𝑑𝑥1)⋯𝑔(𝑑𝑥1,𝑑𝑥𝑛)⋮⋱⋮𝑔(𝑑𝑥𝑛,𝑑𝑥1)⋯𝑔(𝑑𝑥𝑛,𝑑𝑥𝑛))

Lagrange 方程是

𝑑𝑑𝑡(𝑔𝑥̇|𝑔(𝑥̇)2|12)=12𝑥̇⊺(∂𝑔)𝑥̇|𝑔(𝑥̇)2|12 where ∂𝑔≃(∂1𝑔⋮∂𝑛𝑔) or  𝑑𝑑𝑡(𝑔𝑗𝑖′𝑥𝑖′|𝑔𝑖𝑖′𝑥̇𝑖𝑥̇𝑖′|12)=12(∂𝑗𝑔𝑖𝑖′)𝑥̇𝑖𝑥̇𝑖′|𝑔𝑖𝑖′𝑥̇𝑖𝑥̇𝑖′|12

对于路径的单位长度参数, |𝑥̇|=|𝑔(𝑥̇)2|12=1, 方程变成

𝑑𝑑𝑡(𝑔𝑥̇)=12𝑥̇⊺(∂𝑔)𝑥̇ or  𝑑𝑑𝑡(𝑔𝑗𝑖′𝑥𝑖′)=12(∂𝑗𝑔𝑖𝑖′)𝑥̇𝑖𝑥̇𝑖′

product-rule 展开 𝑑𝑑𝑡(𝑔𝑥̇)=(∂(𝑥̇)𝑔)𝑥̇+𝑔𝑥̈, where ∂(𝑥̇)𝑔=∂∂𝑥̇𝑔=𝑑𝑑𝑡𝑔(𝑥(𝑡)). 移项并使用 𝑔−1, 方程变成

𝑥̈=𝑔−1(12𝑥̇⊺(∂𝑔)𝑥̇−(∂(𝑥̇)𝑔)𝑥̇)

或者写为

𝑥̈+𝑥̇⊺Γ𝑥̇=0 or  𝑥̈𝑗+Γ𝑖𝑖′𝑗⋅𝑥̇𝑖⋅𝑥̇𝑖′=0

其中 Γ 是 metric-connection_(tag) alias Levi-Civita-connection_(tag) alias Christoffel-symbols_(tag)

𝑣⊺Γ𝑣=𝑔−1((∂(𝑣)𝑔)𝑣−12𝑣⊺(∂𝑔)𝑣)∈ℝ𝑝,𝑞 or 𝑣′⊺Γ𝑣=12𝑔−1((∂(𝑣′)𝑔)𝑣+(∂(𝑣)𝑔)𝑣′−𝑣′⊺(∂𝑔)𝑣)(cf.   #link(<difference-symmetric-tensor>)[difference]) or Γ𝑖𝑖′𝑗=12∑𝑖″𝑔𝑗𝑖″(∂𝑖𝑔𝑖′𝑖″+∂𝑖′𝑔𝑖𝑖″−∂𝑖″𝑔𝑖𝑖′)

metric-connection 不是 tensor. metric-connection 的变换方式 connection-transformations_(tag)

Γ(𝑦)=∂𝑦∂𝑥⋅Γ(𝑥)⋅∂𝑥∂𝑦+∂𝑦∂𝑥⋅∂∂𝑦(∂𝑥∂𝑦)

by Γ 的定义中的 metric 𝑔 的变换方式

  • 𝑔(𝑦)=∂𝑥∂𝑦⊺⋅𝑔(𝑥)⋅∂𝑥∂𝑦

  • 𝑔−1(𝑦)=∂𝑦∂𝑥⋅𝑔−1(𝑥)⋅∂𝑦∂𝑥⊺

geodesic-exponential_(tag) …

geodesic-coordinate_(tag)

测地线 𝑡⇝𝑣𝑡 or exp(𝑣𝑡) with 𝑡=1 给出坐标 𝑣→exp(𝑣)

它是局部微分同胚 by ∂ exp =𝟙 at 𝑝, by

  • ODE 的解解析地依赖于初值 𝑝,𝑣
  • ∂∂𝑣 exp =∂∂𝑡(𝑡=0)𝑥(𝑡,𝑝,𝑣)=𝑣

在测地线坐标, 测地线方程是 𝑥̈=0. Proof 测地线是 𝑡⇝𝑣𝑡

在 𝑝 点测地线坐标, 𝑝 点联络是零, Γ(𝑝)=0

Proof

ODE 𝑥̈+𝑥̇⊺Γ𝑥̇=0

初值 𝑥̈=0 and 𝑥̇=𝑣

将 ODE 的解 𝑡𝑣 代入 ODE 得到 𝑣⊺Γ𝑣=0

从而在 𝑝 点对所有方向 𝑣, 𝑣⊺Γ𝑣=0 ==> Γ=0 at 𝑝

Taylor-expansion-of-metric-in-geodesic-coordinate_(tag)

在测地线坐标, metric 的 Taylor 展开 𝑔(𝑝+𝑣)=∑1𝑛!(∂𝑛𝑔)(𝑝)(𝑣𝑛)

  • 零阶项是标准 metric 𝜂

  • 一阶项是零 i.e. 一阶微分是零

结合两者, 𝑔(𝑝+𝑣)=𝜂+𝑜(𝑣)

Proof

在 𝑝 点测地线坐标

  • 0th. 对测地线坐标, 在 𝑝 点 ∂ exp =𝟙, 将测地线坐标里的原点的正交规范基 𝑒1,…,𝑒𝑛 复制地映射到 𝑝 点切空间 coordinate-frame ∂1,…,∂𝑛

  • 1st.

differenial-of-metric-vs-connection_(tag) Prop 𝑣⊺(∂(𝑣″)𝑔)𝑣′=𝑣′⊺𝑔(𝑣″⊺Γ𝑣)+𝑣′⊺𝑔(𝑣″⊺Γ𝑣) Proof 直接把 Γ 的 #link(<metric-connection>)[定义] 代入式子

然后用 Γ(𝑝)=0 得到 𝑝 点 ∂𝑔(𝑝)=0

在坐标中 ∂𝑖″𝑔𝑖𝑖′=Γ𝑖″𝑖𝑖′+Γ𝑖″𝑖′𝑖=𝑔𝑖′𝑗Γ𝑖″𝑖𝑗+𝑔𝑖𝑗Γ𝑖″𝑖′𝑗

也可以写为 (∂(𝑣″)𝑔)(𝑣,𝑣′)=𝑔(Γ(𝑣″,𝑣),𝑣′)+𝑔(𝑣,Γ(𝑣″,𝑣′))

对于逆矩阵, 有类似的

differenial-of-metric-inverse-vs-connection_(tag) Prop 𝛼⊺(∂(𝛼″)𝑔−1)𝛼′=−(𝛼′⊺𝑔−1(𝛼″⊺Γ𝛼)+𝛼′⊺𝑔−1(𝛼″⊺Γ𝛼))

Proof 使用 𝑔𝑔−1=𝟙⟹∂(𝑔𝑔−1)=0⟹∂(𝑔−1)=−𝑔−1(∂𝑔)𝑔−1 以及 𝑔=𝑔𝑔−1𝑔

在坐标中 ∂𝑖″𝑔𝑖𝑖′=−Γ𝑖″𝑖𝑖′−Γ𝑖″𝑖′𝑖=−𝑔𝑖𝑗Γ𝑖″𝑗𝑖′−𝑔𝑖′𝑗Γ𝑖″𝑗𝑖

也可以写为 (∂(𝛼″)𝑔−1)(𝛼,𝛼′)=𝑔−1(−Γ(𝛼″,𝛼),𝛼′)+𝑔−1(𝛼,−Γ(𝛼″,𝛼′))