曲率テンソル (3回目)

2023/8/5(土)
曲率テンソル (3回目)
 
(Curvature tensor)
 
ビアンキの恒等式の導出
 
■ 定義
▼ 曲率テンソル
[∇α,∇β]em = Rnm,αβen と定義する
gknRnm,αβ = Rkm,αβ = -gknRnm,βα = -Rkm,βα 
Rnm,αβ 
= (∂/∂xαnβm - (∂/∂xβnαm 
+ ΓnαkΓkβm  - ΓnβkΓkαm 
 
■ 導出
▼ ビアンキの恒等式
 
Γkij = gkaΓaij 
= (1/2)gka{(∂gja/∂Xi)+(∂gai/∂Xj)-(∂gij/∂Xa)}
導出は
https://ulprojectmail.blogspot.com/2023/07/christoffel-3.html
クリストッフェル記号 (3回目)
 
x':局所慣性系
以後、局所慣性系
クリストッフェル記号 = 0、gkn = g(_)kn とする
 
Rkm,αβ = gknRnm,αβ 
= gkn{(∂/∂x'αnβm - (∂/∂x'βnαm 
+ ΓnαiΓiβm  - ΓnβiΓiαm)
= gkn{(∂/∂x'αnβm - (∂/∂x'βnαm }
= (1/2)gkn 
[(∂/∂x'α)gni{(∂gmi/∂x'β)+(∂g/∂x'm)-(∂gβm/∂x'i)}
-(∂/∂x'β)gni{(∂gmi/∂x'α)+(∂g/∂x'm)-(∂gαm/∂x'i)}]
= (1/2)gkngni 
[(∂/∂x'α){(∂g/∂x'm)-(∂gβm/∂x'i)}
-(∂/∂x'β){(∂g/∂x'm)-(∂gαm/∂x'i)}]
= (1/2)δki 
{(∂2g/∂x'α∂x'm)-(∂2gβm/∂x'α∂x'i)
-(∂2g/∂x'β∂x'm)+(∂2gαm/∂x'β∂x'i)}
= (1/2){(∂2g/∂x'α∂x'm)-(∂2gβm/∂x'α∂x'i)
-(∂2g/∂x'β∂x'm)+(∂2gαm/∂x'β∂x'i)}
 
Rkm,αβ = (1/2){(∂2g/∂x'α∂x'm)-(∂2gβm/∂x'α∂x'i)
-(∂2g/∂x'β∂x'm)+(∂2gαm/∂x'β∂x'i)}
Rkα,βm = (1/2){(∂2gim/∂x'β∂x'α)-(∂2g/∂x'β∂x'i)
-(∂2g/∂x'm∂x'α)+(∂2gβα/∂x'm∂x'i)}
Rkβ,mα = (1/2){(∂2g/∂x'm∂x'β)-(∂2gαβ/∂x'm∂x'i)
-(∂2gim/∂x'α∂x'β)+(∂2g/∂x'α∂x'i)}
 
2(Rkm,αβ + Rkα,βm + Rkβ,mα)
=(∂2g/∂x'α∂x'm)-(∂2gβm/∂x'α∂x'i)
-(∂2g/∂x'β∂x'm)+(∂2gαm/∂x'β∂x'i)
+(∂2gim/∂x'β∂x'α)-(∂2g/∂x'β∂x'i)
-(∂2g/∂x'm∂x'α)+(∂2gβα/∂x'm∂x'i)
+(∂2g/∂x'm∂x'β)-(∂2gαβ/∂x'm∂x'i)
-(∂2gim/∂x'α∂x'β)+(∂2g/∂x'α∂x'i)
=(∂2g/∂x'α∂x'm)
-(∂2g/∂x'm∂x'α)
-(∂2gβm/∂x'α∂x'i)
+(∂2g/∂x'α∂x'i)
+(∂2gim/∂x'β∂x'α)
-(∂2gim/∂x'α∂x'β)
-(∂2g/∂x'β∂x'm)
+(∂2g/∂x'm∂x'β)
+(∂2gαm/∂x'β∂x'i)
-(∂2g/∂x'β∂x'i)
+(∂2gβα/∂x'm∂x'i)
-(∂2gαβ/∂x'm∂x'i)
= 0
Rnm,αβ + Rnα,βm + Rnβ,mα 
= gnk(Rkm,αβ + Rkα,βm + Rkβ,mα) = 0
 
Rkm,αβ + Rkα,βm + Rkβ,mα = 0
Rnm,αβ + Rnα,βm + Rnβ,mα = 0
 
▼ ビアンキの恒等式(微分形)
Rnm,αβ 
= (∂/∂xαnβm - (∂/∂xβnαm 
+ ΓnαkΓkβm  - ΓnβkΓkαm 
 
x':局所慣性系
以後、局所慣性系
クリストッフェル記号 = 0、gkn = g(_)kn とする
knαkΓkβm) = ∇kΓnαkΓkβm + ΓnαkkΓkβm = 0
より
knαkΓkβm  - ΓnβkΓkαm) = 0
 
γRnm,αβ 
= (∂/∂xγ)(∂/∂xαnβm - (∂/∂xγ)(∂/∂xβnαm 
αRnm,βγ 
= (∂/∂xα)(∂/∂xβnγm - (∂/∂xα)(∂/∂xγnβm 
βRnm,γα 
= (∂/∂xβ)(∂/∂xγnαm - (∂/∂xβ)(∂/∂xαnγm 
 
γRnm,αβ + ∇αRnm,βγ + ∇βRnm,γα 
= (∂/∂xγ)(∂/∂xαnβm - (∂/∂xγ)(∂/∂xβnαm 
+ (∂/∂xα)(∂/∂xβnγm - (∂/∂xα)(∂/∂xγnβm 
+ (∂/∂xβ)(∂/∂xγnαm - (∂/∂xβ)(∂/∂xαnγm 
 
= (∂/∂xγ)(∂/∂xαnβm 
- (∂/∂xα)(∂/∂xγnβm 
- (∂/∂xγ)(∂/∂xβnαm 
+ (∂/∂xβ)(∂/∂xγnαm 
+ (∂/∂xα)(∂/∂xβnγm 
- (∂/∂xβ)(∂/∂xαnγm 
= 0
 
gkn(∇γRnm,αβ + ∇αRnm,βγ + ∇βRnm,γα )
γRkm,αβ + ∇αRkm,βγ + ∇βRkm,γα = 0
 
 
■ 結果
▼ ビアンキの恒等式
Rkm,αβ + Rkα,βm + Rkβ,mα = 0
Rnm,αβ + Rnα,βm + Rnβ,mα = 0
γRkm,αβ + ∇αRkm,βγ + ∇βRkm,γα = 0
γRnm,αβ + ∇αRnm,βγ + ∇βRnm,γα = 0
 
 

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