В дифференциальной геометрии 1-форма определяется как линейная вещественная функция векторов, то есть является линейным оператором, «машиной», на вход которой подаются векторы, а на выходе получаются числа. Простейшей 1-формой является градиент d->функции (обозначение или grad обычно используют применительно к скалярным величинам, а Ñ (читай: «набла») — к векторам или тензорам). Внешняя производная, или градиент, является более строгой формой понятия «дифференциал». В отличие от дифференциала df->, который выражает изменение в некотором произвольном направлении, градиент характеризует изменение функции в определенном направлении, заданном бесконечно малым вектором смещения v. Если быть более точным, градиент d->представляет собой совокупность поверхностей уровня = const и характеризует их «близость» друг к другу, плотность «упаковки» в элементарном объеме в направлении v, с точностью до приближения их плоскостями и размещения через равные промежутки (вследствие линейности оператора). Результатом пересечения d->вектором смещения является число ádf->, vñ = ∂f.

Это выражение определяет связь между градиентом d->и производной по направлению ∂f. Введя вектор в линейную машину df->, на выходе мы получаем ∂— число пересеченных плоскостей при прохождении через df->, число, которое при ->достаточно малом равно приращению между основанием и острием вектора v.

Задание 1-формы в данной точке (связь с точечным описанием) для некоторого геометрического объекта, описывающего физическую величину, например, для тензора произвольного ранга (0-ранг — скаляр, 1-ранг — вектор или 1-форма, 2-ранг — тензор второго ранга и т. д.), предполагает выполнение трех основных операций. Это, прежде всего, задание вектора смещения, в направлении которого данный объект меняется от точки к точке. Во-вторых: моделирование исходного объекта в окрестностях каждой точки в виде плоских поверхностей уровня, расположенных на одинаковых расстояниях. И ->наконец, подсчет числа пересечений этих плоскостей вектором смещения. Поскольку образование 1-формы (градиента) от произвольного тензора предполагает одновременное задание вектора смещения, появляется дополнительный входной канал, и ранг исходного тензора увеличивается на единицу.

Таким образом, дифференциальная геометрия дает более строгое определение градиента в качестве 1-формы, в отличие от обычных представлений градиента как вектора. Градиент, который нам более знаком, — это всего лишь вектор, поставленный в соответствие 1-форме градиента с помощью уравнения (которое уже приводилось) · v = ádf->, vñ, где слева стоит скалярное произведение двух векторов, и — градиент в виде вектора.

Дифференциальная геометрия расширяет также понятие тензора. Если обычно под тензором понимается линейный оператор с входными каналами для векторов и выходными данными либо в виде вещественных чисел, либо в виде векторов, то теперь во входной канал может подаваться не только вектор, но и 1-форма.

В качестве примера рассмотрим координатное представление тензора второго ранга. В отличие от обычного вектора, который может быть разложен лишь в одном произвольном базисе из ортонормированных векторов (поэтому его можно считать тензором первого ранга), тензор второго ранга разлагается на компоненты в двух базисах. В качестве любого из этих базисов (или обоих сразу) могут служить либо наборы из обычных базисных векторов eα, либо совокупность так называемых базисных 1-форм wα dx->α. Базисные 1-формы — это координатные поверхности xα = const->. Следовательно, базисный вектор eα пересекает только одну поверхность базисной ->1-формы wα (перпендикулярную eα).

Точно так же, как произвольный вектор можно разложить по базису eαναeα, произвольную ->1-форму можно разложить по базису wβ, σ σβwβ. Коэффициенты να и σβ называются компонентами вектора и 1-формы s в базисе eαи wβ соответственно.

Вводя в некоторый тензор второго ранга произвольные вектор и 1-форму σ и, зная компоненты их разложения в своих базисах, через них можно выразить компоненты самого тензора S(v, σ) = S(eαwβvασβ Sαβvασβ.

Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru