(二十四)正交曲线坐标系中的物理分量
本文主要内容如下:
- 1. Lamé 常数
- 2. 物理标架与物理分量
- 3. Pfaff 导数
- 4. 物理标架上的 Christoffel 符号
- 5. 物理标架上的梯度、散度与旋度
1. Lamé 常数
定义 在曲线坐标系中,定义Lamé 常数 A i ( i = 1 , 2 , 3 ) A_i\ (i=1,2,3) Ai (i=1,2,3) :
{ A 1 = ∣ g ⃗ 1 ∣ = g 11 A 2 = ∣ g ⃗ 2 ∣ = g 22 A 3 = ∣ g ⃗ 3 ∣ = g 33 \begin{cases} A_1=|\vec{g}_1|=\sqrt{g_{11}} \\\\ A_2=|\vec{g}_2|=\sqrt{g_{22}} \\\\ A_3=|\vec{g}_3|=\sqrt{g_{33}} \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧A1=∣g 1∣=g11 A2=∣g 2∣=g22 A3=∣g 3∣=g33
由于,在正交曲线坐标系中
( g ⃗ i , g ⃗ j ) = 0 ( i ≠ j ) (\vec{g}_i,\vec{g}_j)=0\quad(i\ne j) (g i,g j)=0(i=j)
则,
d s 2 = ( d r ⃗ , d r ⃗ ) = ( d x i g ⃗ i , d x j g ⃗ j ) = ( A 1 d x 1 ) 2 + ( A 2 d x 2 ) 2 + ( A 3 d x 3 ) 2 ds^2=(d\vec{r},d\vec{r})=(dx^i\vec{g}_i,dx^j\vec{g}_j)=(A_1dx^1)^2+(A_2dx^2)^2+(A_3dx^3)^2 ds2=(dr ,dr )=(dxig i,dxjg j)=(A1dx1)2+(A2dx2)2+(A3dx3)2
上式说明,在正交曲线坐标系中,Lamé 常数 A i ( i = 1 , 2 , 3 ) A_i\ (i=1,2,3) Ai (i=1,2,3) 的物理意义为:
坐标 x i 有单位增量时 , 弧长的增长 坐标\ x^i\ 有单位增量时,弧长的增长 坐标 xi 有单位增量时,弧长的增长
根据 Lamé 常数的物理意义可以从几何上得到其大小,如
- 柱坐标系:
A r = 1 , A φ = r , A z = 1 A_r=1,A_\varphi=r,A_z=1 Ar=1,Aφ=r,Az=1 - 球坐标系:
A r = 1 , A θ = r , A ϕ = r s i n θ A_r=1,A_\theta=r,A_\phi=rsin\theta Ar=1,Aθ=r,Aϕ=rsinθ
2. 物理标架与物理分量
在曲线坐标系中由于基向量一般不是单位向量且不一定具有相同的量纲,这将给张量的物理解释带来困难。因此,常常将张量建立在无量纲的、由单位基向量构成的标架场(物理标架)上,相应的张量分量便称为物理分量。
对于正交曲线坐标系,引进:
g ⃗ ⟨ i ⟩ = g ⃗ i ∣ g i ⃗ ∣ ( i = 1 , 2 , 3 ; 不对 i 求和 ) \vec{g}\langle i \rangle=\dfrac{\vec{g}_i}{|\vec{g_i}|}\quad(i=1,2,3;不对i求和) g ⟨i⟩=∣gi ∣g i(i=1,2,3;不对i求和)
显然, g ⃗ ⟨ i ⟩ ( i = 1 , 2 , 3 ) \vec{g}\langle i \rangle\ (i=1,2,3) g ⟨i⟩ (i=1,2,3) 构成了"无量纲的、由单位基向量构成的标架场",之所以称作场,是由于该标架也是位置的函数,不同位置标架的方向不同。在正交曲线坐标系下:
{ g ⃗ i / / g ⃗ i ( 同向 ) ∣ g ⃗ i ∣ ⋅ ∣ g ⃗ i ∣ = 1 \begin{cases} \vec{g}_i//\vec{g}^i \quad(同向)\\\\ |\vec{g}_i|\cdot|\vec{g}^i|=1 \end{cases} ⎩ ⎨ ⎧g i//g i(同向)∣g i∣⋅∣g i∣=1
其中, i = 1 , 2 , 3 i=1,2,3 i=1,2,3, 不对 i i i 求和。那么,物理标架可进一步表示为:
g ⃗ ⟨ i ⟩ = g ⃗ i ∣ g i ⃗ ∣ = g ⃗ i ∣ g ⃗ i ∣ = ∣ g ⃗ i ∣ g ⃗ i = ∣ g ⃗ i ∣ g ⃗ i ( i = 1 , 2 , 3 ; 不对 i 求和 ) \vec{g}\langle i \rangle=\dfrac{\vec{g}_i}{|\vec{g_i}|}=\dfrac{\vec{g}^i}{|\vec{g}^i|}=|\vec{g}^i|\ \vec{g}_i=|\vec{g}_i|\ \vec{g}^i\quad(i=1,2,3;不对i求和) g ⟨i⟩=∣gi ∣g i=∣g i∣g i=∣g i∣ g i=∣g i∣ g i(i=1,2,3;不对i求和)
任何张量可在物理标架上进行分解:
v ⃗ = ∑ i v i g ⃗ i = ∑ i ( v i ∣ g ⃗ i ∣ ) g ⃗ ⟨ i ⟩ = ∑ i ( v i A i ) g ⃗ ⟨ i ⟩ ≜ ∑ i v ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ = ∑ i v i g ⃗ i = ∑ i ( v i ∣ g ⃗ i ∣ ) g ⃗ ⟨ i ⟩ = ∑ i ( v i A i ) g ⃗ ⟨ i ⟩ B = ∑ i , j B i j g ⃗ i g ⃗ j = ∑ i , j ( B i j ∣ g ⃗ i ∣ ∣ g ⃗ j ∣ ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j ( B i j A i A j ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ ≜ ∑ i , j B ⟨ i j ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j B i j g ⃗ i g ⃗ j = ∑ i , j ( B i j ∣ g ⃗ i ∣ ∣ g ⃗ j ∣ ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j ( B i j A i A j ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j B ∙ j i g ⃗ i g ⃗ j = ∑ i , j ( B ∙ j i ∣ g ⃗ i ∣ ∣ g ⃗ j ∣ ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j ( B ∙ j i A i A j ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j B i ∙ j g ⃗ i g ⃗ j = ∑ i , j ( B i ∙ j ∣ g ⃗ j ∣ ∣ g ⃗ i ∣ ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ = ∑ i , j ( B i ∙ j A j A i ) g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ \begin{aligned} &\vec{v}=\sum_iv^i\vec{g}_i=\sum_i(v^i|\vec{g}_i|)\vec{g}\langle i \rangle=\sum_i(v^iA_i)\vec{g}\langle i \rangle\triangleq\sum_i v\langle i \rangle\vec{g}\langle i \rangle\\\\ &\ \ =\sum_{i}v_i\vec{g}^i=\sum_i(\frac{v_i}{|\vec{g}_i|})\vec{g}\langle i \rangle=\sum_i(\frac{v_i}{A_i})\vec{g}\langle i \rangle\\\\ &\bold{B}=\sum_{i,j}B^{ij}\vec{g}_i\vec{g}_j=\sum_{i,j}(B^{ij}|\vec{g}_i||\vec{g}_j|)\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle=\sum_{i,j}(B^{ij}A_iA_j)\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle\triangleq\sum_{i,j}B\langle ij \rangle\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle\\\\ &\quad=\sum_{i,j}B_{ij}\vec{g}^i\vec{g}^j=\sum_{i,j}(\frac{B_{ij}}{|\vec{g}_i||\vec{g}_j|})\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle=\sum_{i,j}(\frac{B_{ij}}{A_iA_j})\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle\\\\ &\quad=\sum_{i,j}B^{i}_{\bullet j}\vec{g}_i\vec{g}^j=\sum_{i,j}(B^{i}_{\bullet j}\frac{|\vec{g}_i|}{|\vec{g}_j|})\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle=\sum_{i,j}(B^{i}_{\bullet j}\frac{A_i}{A_j})\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle\\\\ &\quad=\sum_{i,j}B_{i}^{\bullet j}\vec{g}^i\vec{g}_j=\sum_{i,j}(B_{i}^{\bullet j}\frac{|\vec{g}_j|}{|\vec{g}_i|})\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle=\sum_{i,j}(B_{i}^{\bullet j}\frac{A_j}{A_i})\vec{g}\langle i \rangle\vec{g}\langle j \rangle \end{aligned} v =i∑vig i=i∑(vi∣g i∣)g ⟨i⟩=i∑(viAi)g ⟨i⟩≜i∑v⟨i⟩g ⟨i⟩ =i∑vig i=i∑(∣g i∣vi)g ⟨i⟩=i∑(Aivi)g ⟨i⟩B=i,j∑Bijg ig j=i,j∑(Bij∣g i∣∣g j∣)g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑(BijAiAj)g ⟨i⟩g ⟨j⟩≜i,j∑B⟨ij⟩g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑Bijg ig j=i,j∑(∣g i∣∣g j∣Bij)g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑(AiAjBij)g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑B∙jig ig j=i,j∑(B∙ji∣g j∣∣g i∣)g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑(B∙jiAjAi)g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑Bi∙jg ig j=i,j∑(Bi∙j∣g i∣∣g j∣)g ⟨i⟩g ⟨j⟩=i,j∑(Bi∙jAiAj)g ⟨i⟩g ⟨j⟩
从上述例子中看出:
张量的物理分量由张量的分量与协变基的模 (或Lamé 常数) 的乘除构成,当张量分量的指标为逆变指标时乘,张量分量为协变指标时除。
3. Pfaff 导数
定义:
1 A i ∂ ( Φ ) ∂ x i = 1 ∣ g i ⃗ ∣ ∂ ( Φ ) ∂ x i ≜ ∂ ( Φ ) ∂ x ⟨ i ⟩ ( 不对 i 求和 ) \frac{1}{A_i}\frac{\partial(\bold \Phi)}{\partial x^i}=\frac{1}{|\vec{g_i}|}\frac{\partial(\bold \Phi)}{\partial x^i}\triangleq\frac{\partial(\bold \Phi)}{\partial x^{\langle i\rangle}}(不对i求和) Ai1∂xi∂(Φ)=∣gi ∣1∂xi∂(Φ)≜∂x⟨i⟩∂(Φ)(不对i求和)
其物理含义为:张量 Φ \bold\Phi Φ 沿坐标线微弧元 d s i = A i d x i ( 不对 i 求和 ) ds^{i}=A_idx^i(不对i求和) dsi=Aidxi(不对i求和) 的变化率 ∂ ( Φ ) ∂ s i \dfrac{\partial(\bold \Phi)}{\partial s^i} ∂si∂(Φ) 。
4. 物理标架上的 Christoffel 符号
类似于自然基矢对坐标的导数:物理标架的基 g ⃗ ⟨ i ⟩ \vec{g}{\langle i\rangle} g ⟨i⟩ 对于坐标线微弧元的Paffa导数仍为向量,可在物理标架下展开,组合系数记作物理标架上的 Christoffel 符号:
∂ g ⃗ ⟨ i ⟩ ∂ x ⟨ j ⟩ = Γ ⟨ i j k ⟩ g ⃗ ⟨ k ⟩ \frac{\partial \vec{g}{\langle i\rangle}}{\partial x^{\langle j\rangle}}=\Gamma{\langle ijk\rangle}\vec{g}{\langle k\rangle} ∂x⟨j⟩∂g ⟨i⟩=Γ⟨ijk⟩g ⟨k⟩
进一步有:
Γ ⟨ i j k ⟩ ≜ ∂ g ⃗ ⟨ i ⟩ ∂ x ⟨ j ⟩ ⋅ g ⃗ ⟨ k ⟩ = ∂ ∂ x j ( g ⃗ i ∣ g ⃗ i ∣ ) ⋅ g ⃗ k ∣ g ⃗ j ∣ ∣ g ⃗ k ∣ = Γ i j , k ∣ g ⃗ i ∣ ∣ g ⃗ j ∣ ∣ g ⃗ k ∣ + g ⃗ i ⋅ g ⃗ k ∣ g ⃗ j ∣ ∣ g ⃗ k ∣ ∂ ∂ x j ( 1 ∣ g ⃗ i ∣ ) = Γ i j , k A i A j A k + g ⃗ i ⋅ g ⃗ k A j A k ∂ ∂ x j ( 1 A i ) ( 不对指标求和 ) \begin{aligned} &\Gamma{\langle ijk\rangle}\triangleq\frac{\partial \vec{g}{\langle i\rangle}}{\partial x^{\langle j\rangle}}\cdot\vec{g}{\langle k\rangle}\\\\ &\qquad\ \ \ =\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{\vec{g}_i}{|\vec{g}_i|}\right)\cdot\frac{\vec{g}_k}{|\vec{g}_j||\vec{g}_k|}\\\\ &\qquad\ \ \ =\frac{\Gamma_{ij,k}}{|\vec{g}_i||\vec{g}_j||\vec{g}_k|}+\frac{\vec{g}_i\cdot\vec{g}_k}{|\vec{g}_j||\vec{g}_k|}\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{1}{|\vec{g}_i|}\right)\\\\ &\qquad\ \ \ =\frac{\Gamma_{ij,k}}{A_iA_jA_k}+\frac{\vec{g}_i\cdot\vec{g}_k}{A_jA_k}\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{1}{A_i}\right)\quad(不对指标求和) \end{aligned} Γ⟨ijk⟩≜∂x⟨j⟩∂g ⟨i⟩⋅g ⟨k⟩ =∂xj∂(∣g i∣g i)⋅∣g j∣∣g k∣g k =∣g i∣∣g j∣∣g k∣Γij,k+∣g j∣∣g k∣g i⋅g k∂xj∂(∣g i∣1) =AiAjAkΓij,k+AjAkg i⋅g k∂xj∂(Ai1)(不对指标求和)
根据上式可知,物理标架上的 Christoffel 符号的性质(不对指标求和):
(1) 所有指标均不相同时, i ≠ j ≠ k i\ne j\ne k i=j=k
Γ ⟨ i j k ⟩ = 0 \Gamma{\langle ijk\rangle}=0 Γ⟨ijk⟩=0
(2) 第一指标与第三指标不同时,第二指标分别与其它指标相同
- j = i ≠ k j=i\ne k j=i=k 时,
Γ ⟨ i i k ⟩ = Γ i i , k A i A i A k = − 1 A i A k ∂ A i ∂ x k = − ∂ l n ( A i ) ∂ x ⟨ k ⟩ \Gamma{\langle iik\rangle}=\frac{\Gamma_{ii,k}}{A_iA_iA_k}=-\frac{1}{A_iA_k}\frac{\partial A_i}{\partial x^k}=-\frac{\partial ln(A_i)}{\partial x^{\langle k\rangle}} Γ⟨iik⟩=AiAiAkΓii,k=−AiAk1∂xk∂Ai=−∂x⟨k⟩∂ln(Ai) - j = k ≠ i j=k\ne i j=k=i 时,
Γ ⟨ i j j ⟩ = Γ i j , j A i A j A j = 1 A i A j ∂ A j ∂ x i = ∂ l n ( A j ) ∂ x ⟨ i ⟩ \Gamma{\langle ijj\rangle}=\frac{\Gamma_{ij,j}}{A_iA_jA_j}=\frac{1}{A_iA_j}\frac{\partial A_j}{\partial x^i}=\frac{\partial ln(A_j)}{\partial x^{\langle i\rangle}} Γ⟨ijj⟩=AiAjAjΓij,j=AiAj1∂xi∂Aj=∂x⟨i⟩∂ln(Aj)
(3) 第二指标与第三指标不同,第一指标分别与其他指标相同
- i = j ≠ k i=j\ne k i=j=k (已讨论)
- i = k ≠ j i=k\ne j i=k=j
Γ ⟨ i j i ⟩ = Γ i j , i A i A j A i + g ⃗ i ⋅ g ⃗ i A j A i ∂ ∂ x j ( 1 A i ) = 1 A j A i ∂ A i ∂ x j + A i A j ∂ ∂ x j ( 1 A i ) = 0 \Gamma{\langle iji\rangle} =\frac{\Gamma_{ij,i}}{A_iA_jA_i}+\frac{\vec{g}_i\cdot\vec{g}_i}{A_jA_i}\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{1}{A_i}\right) =\frac{1}{A_jA_i}\frac{\partial A_i}{\partial x^j}+\frac{A_i}{A_j}\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{1}{A_i}\right)=0 Γ⟨iji⟩=AiAjAiΓij,i+AjAig i⋅g i∂xj∂(Ai1)=AjAi1∂xj∂Ai+AjAi∂xj∂(Ai1)=0
(4) 第一指标与第二指标不同,第三指标分别与其他指标相同
- k = i ≠ j k=i\ne j k=i=j (已讨论)
- k = j ≠ i k=j\ne i k=j=i (已讨论)
(5) 三指标均相同, i = j = k i=j=k i=j=k
Γ ⟨ i i i ⟩ = Γ i i , i A i A i A i + g ⃗ i ⋅ g ⃗ i A i A i ∂ ∂ x j ( 1 A i ) = 1 A i A i ∂ A i ∂ x i + ∂ ∂ x j ( 1 A i ) = 0 \Gamma{\langle iii\rangle} =\frac{\Gamma_{ii,i}}{A_iA_iA_i}+\frac{\vec{g}_i\cdot\vec{g}_i}{A_iA_i}\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{1}{A_i}\right) =\frac{1}{A_iA_i}\frac{\partial A_i}{\partial x^i}+\frac{\partial }{\partial x^j}\left(\frac{1}{A_i}\right)=0 Γ⟨iii⟩=AiAiAiΓii,i+AiAig i⋅g i∂xj∂(Ai1)=AiAi1∂xi∂Ai+∂xj∂(Ai1)=0
综上所述,
物理标架上的 Christoffel 符号仅对第一第三个指标具有反对称性,不具有任何对称性。且不为零的分量仅有:
Γ ⟨ i i k ⟩ = − Γ ⟨ k j j ⟩ = − ∂ l n ( A i ) ∂ x ⟨ k ⟩ ( i ≠ k ) \Gamma{\langle iik\rangle}=-\Gamma{\langle kjj\rangle}=-\frac{\partial ln(A_i)}{\partial x^{\langle k\rangle}}\quad(i\ne k) Γ⟨iik⟩=−Γ⟨kjj⟩=−∂x⟨k⟩∂ln(Ai)(i=k)
5. 物理标架上的梯度、散度与旋度
以二阶张量为例说明张量关于坐标的导数:
∂ T ∂ x ⃗ ⟨ k ⟩ = ∂ ∂ x ⃗ ⟨ k ⟩ ( ∑ i j T ⟨ i j ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ ) = ∑ i j [ ∂ T ⟨ i j ⟩ ∂ x ⃗ ⟨ k ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ + T ⟨ i j ⟩ ∂ g ⃗ ⟨ i ⟩ ∂ x ⃗ ⟨ k ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ + T ⟨ i j ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ ∂ g ⃗ ⟨ j ⟩ ∂ x ⃗ ⟨ k ⟩ ] = ∑ i j [ ∂ T ⟨ i j ⟩ ∂ x ⃗ ⟨ k ⟩ + T ⟨ m j ⟩ Γ ⟨ m k i ⟩ + T ⟨ i m ⟩ Γ ⟨ m k j ⟩ ] g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ ≜ ∑ i j T ⟨ i j ⟩ ; ⟨ k ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ ≜ ∑ i j T ⟨ i j ⟩ ∣ ⟨ k ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ ≜ ∑ i j ▽ ⟨ k ⟩ T ⟨ i j ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ j ⟩ \begin{aligned} &\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle k\rangle}} =\dfrac{\partial}{\partial\vec{x}^{\langle k\rangle}}(\sum_{ij}T{\langle ij\rangle}\vec{g}{\langle i\rangle}\vec{g}{\langle j\rangle})\\\\ &\quad\quad=\sum_{ij}\left[\dfrac{\partial T{\langle ij\rangle}}{\partial\vec{x}^{\langle k\rangle}}\vec{g}{\langle i\rangle}\vec{g}{\langle j\rangle}+T{\langle ij\rangle}\dfrac{\partial \vec{g}{\langle i\rangle}}{\partial\vec{x}^{\langle k\rangle}}\vec{g}{\langle j\rangle}+T{\langle ij\rangle}\vec{g}{\langle i\rangle}\dfrac{\partial \vec{g}{\langle j\rangle}}{\partial\vec{x}^{\langle k\rangle}}\right]\\\\ &\quad\quad=\sum_{ij}\left[\dfrac{\partial T{\langle ij\rangle}}{\partial\vec{x}^{\langle k\rangle}}+T{\langle mj\rangle}\Gamma{\langle mki\rangle}+T{\langle im\rangle}\Gamma{\langle mkj\rangle}\right]\vec{g}{\langle i\rangle}\vec{g}{\langle j\rangle}\\\\ &\quad\quad\triangleq\sum_{ij}\ T{\langle ij\rangle}_{;\langle k\rangle}\ \vec{g}{\langle i\rangle}\vec{g}{\langle j\rangle}\\\\ &\quad\quad\triangleq\sum_{ij}\ T{\langle ij\rangle}|_{\langle k\rangle}\ \vec{g}{\langle i\rangle}\vec{g}{\langle j\rangle}\\\\ &\quad\quad\triangleq\sum_{ij}\ \bigtriangledown_{\langle k\rangle}T{\langle ij\rangle}\ \vec{g}{\langle i\rangle}\vec{g}{\langle j\rangle} \end{aligned} ∂x ⟨k⟩∂T=∂x ⟨k⟩∂(ij∑T⟨ij⟩g ⟨i⟩g ⟨j⟩)=ij∑[∂x ⟨k⟩∂T⟨ij⟩g ⟨i⟩g ⟨j⟩+T⟨ij⟩∂x ⟨k⟩∂g ⟨i⟩g ⟨j⟩+T⟨ij⟩g ⟨i⟩∂x ⟨k⟩∂g ⟨j⟩]=ij∑[∂x ⟨k⟩∂T⟨ij⟩+T⟨mj⟩Γ⟨mki⟩+T⟨im⟩Γ⟨mkj⟩]g ⟨i⟩g ⟨j⟩≜ij∑ T⟨ij⟩;⟨k⟩ g ⟨i⟩g ⟨j⟩≜ij∑ T⟨ij⟩∣⟨k⟩ g ⟨i⟩g ⟨j⟩≜ij∑ ▽⟨k⟩T⟨ij⟩ g ⟨i⟩g ⟨j⟩
上式说明:
- 张量的 Pfaff 导数由张量分量的 ”协变Pfaff导数“ 与局部单位正交基组合而成;
- 协变Pfaff导数 包括 张量分量的 Pfaff导数 与 张量分量和物理标架上的 Christoffel 符号乘积;
- 张量分量和物理标架上的 Christoffel 符号乘积项中张量的物理分量指标依次被替换为 “哑指标”,物理标架上的 Christoffel 符号的第一指标为相同的 “哑指标”,第二指标与Pfaff导数的指标相同。
另外,物理标架间满足:
g ⃗ ⟨ i ⟩ ⋅ g ⃗ ⟨ j ⟩ = δ i j g ⃗ ⟨ i ⟩ × g ⃗ ⟨ j ⟩ = g ⃗ i × g ⃗ j A i A j = ϵ i j k g ⃗ k A i A j = ϵ i j k g ⃗ ⟨ k ⟩ A i A j A j \begin{aligned} &\vec{g}{\langle i\rangle}\cdot\vec{g}{\langle j\rangle}=\delta_{ij}\\\\ &\vec{g}{\langle i\rangle}\times\vec{g}{\langle j\rangle} =\dfrac{\vec{g}_i\times\vec{g}_j}{A_iA_j} =\dfrac{\epsilon_{ijk}\vec{g}^k}{A_iA_j} =\dfrac{\epsilon_{ijk}\vec{g}{\langle k\rangle}}{A_iA_jA_j} \end{aligned} g ⟨i⟩⋅g ⟨j⟩=δijg ⟨i⟩×g ⟨j⟩=AiAjg i×g j=AiAjϵijkg k=AiAjAjϵijkg ⟨k⟩
则
{ ▽ T = g ⃗ i ∂ T ∂ x ⃗ i = g ⃗ ⟨ i ⟩ ∣ g ⃗ i ∣ ∂ T ∂ x ⃗ i = g ⃗ ⟨ i ⟩ ∂ T ∂ x ⃗ ⟨ i ⟩ T ▽ = ∂ T ∂ x ⃗ ⟨ i ⟩ g ⃗ ⟨ i ⟩ { ▽ ⋅ T = g ⃗ ⟨ i ⟩ ⋅ ∂ T ∂ x ⃗ ⟨ i ⟩ T ⋅ ▽ = ∂ T ∂ x ⃗ ⟨ i ⟩ ⋅ g ⃗ ⟨ i ⟩ { ▽ × T = g ⃗ ⟨ i ⟩ × ∂ T ∂ x ⃗ ⟨ i ⟩ T × ▽ = ∂ T ∂ x ⃗ ⟨ i ⟩ × g ⃗ ⟨ i ⟩ \begin{aligned} &\begin{cases} \bigtriangledown\bold T =\vec{g}^i\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^i} =\dfrac{\vec{g}{\langle i\rangle}}{|\vec{g}_i|}\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^i} =\vec{g}{\langle i\rangle}\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle i\rangle}} \\\\ \bold T\bigtriangledown =\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle i\rangle}}\vec{g}{\langle i\rangle} \end{cases}\\\\ &\begin{cases} \bigtriangledown\cdot\bold T =\vec{g}{\langle i\rangle}\cdot\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle i\rangle}}\\\\ \bold T\cdot\bigtriangledown =\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle i\rangle}}\cdot\vec{g}{\langle i\rangle} \end{cases}\\\\ &\begin{cases} \bigtriangledown\times\bold T =\vec{g}{\langle i\rangle}\times\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle i\rangle}} \\\\ \bold T\times\bigtriangledown=\dfrac{\partial\bold T}{\partial\vec{x}^{\langle i\rangle}}\times\vec{g}{\langle i\rangle} \end{cases} \end{aligned} ⎩ ⎨ ⎧▽T=g i∂x i∂T=∣g i∣g ⟨i⟩∂x i∂T=g ⟨i⟩∂x ⟨i⟩∂TT▽=∂x ⟨i⟩∂Tg ⟨i⟩⎩ ⎨ ⎧▽⋅T=g ⟨i⟩⋅∂x ⟨i⟩∂TT⋅▽=∂x ⟨i⟩∂T⋅g ⟨i⟩⎩ ⎨ ⎧▽×T=g ⟨i⟩×∂x ⟨i⟩∂TT×▽=∂x ⟨i⟩∂T×g ⟨i⟩
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