流形與黎曼幾何

克氏符號(Christoffel symbols)

/ KRIS-tof-el /

當你把向量求導的規則(列維-奇維塔聯絡)寫在實際座標裡時,它在每個點吐出一組數,說明座標方向隨你移動時如何扭轉。這些數就是克氏符號。它們是修正天真導數的帳簿:若你的座標格網彎曲或拉伸,這些符號悄悄補上正確的調整,使導數追蹤的是真正的幾何變化,而非格網造成的假象。

精確地說,在座標 x^1, ..., x^n 下,克氏符號 Gamma^k_ij 記錄基底向量 d/dx^i 沿方向 d/dx^j 如何變化:nabla_(d/dx^i) (d/dx^j) = sum_k Gamma^k_ij d/dx^k。對列維-奇維塔聯絡而言,它們完全由度量透過一條明確公式算出:Gamma^k_ij = (1/2) sum_l g^kl (d_i g_jl + d_j g_il - d_l g_ij),其中 g^kl 是度量矩陣的逆、d_i 指對 x^i 的偏導。要用它們,就代入測地線方程或共變導數;它們是座標對每個彎曲空間計算的貢獻。

兩項誠實的提醒能讓學生免於踩雷。第一,克氏符號不是張量的分量:在換座標時它們多帶一個非齊次項,這正是為何你能藉由選好座標讓它們在任一單點為零,卻無法處處為零、除非空間真正平直。第二,它們依賴座標系,所以非零的克氏符號本身並不代表曲率——平直平面上的極座標就已經有非零的克氏符號。真正的曲率住在這些符號及其導數的某個特定組合裡,也就是黎曼張量。

在極座標 (r, theta) 下的平直平面上,度量是 ds^2 = dr^2 + r^2 dtheta^2。代入公式得到非零符號 Gamma^r_(theta theta) = -r 與 Gamma^theta_(r theta) = Gamma^theta_(theta r) = 1/r。這些正是讓一條直線在極座標描述下仍保持筆直的修正項——純粹是座標效應,因為平面是平的。

平直平面上的極座標就已產生非零的克氏符號;它們記錄的是座標的扭轉,不是曲率。

克氏符號不是張量分量,且總能在某個選定的單點處歸零(法座標)。所以它們從來不是與座標無關的曲率量度——那角色只屬於由它們建構的黎曼張量。

又稱
connection coefficientsGamma^k_ij克里斯多福符號聯絡係數