張量微積分與微分幾何

愛因斯坦求和約定(Einstein summation convention)

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物理裡到處都是長得一模一樣的求和:點積 u 點 v 等於 u1 v1 + u2 v2 + u3 v3,矩陣乘向量 A x 的分量是對 k 求和的 A(i,k) 乘 x(k),而一旦進入四維與彎曲空間,這類求和便層出不窮。反覆書寫求和號既煩瑣又把頁面塞滿。愛因斯坦的約定是一條簡單卻極其高效的記帳規則,讓你幾乎能省去每一個求和號。

規則如下:只要某個指標在同一項中恰好出現兩次——一次作上指標(上標)、一次作下指標(下標)——就自動對該指標在其整個取值範圍內求和,無需寫出求和號。於是 a^i b_i 就表示 a^1 b_1 + a^2 b_2 + ... + a^n b_n。這個重複的指標稱為啞指標或求和指標,它的名字無關緊要:a^i b_i 與 a^k b_k 是同一個數。只出現一次的指標是自由指標,它必須在方程兩邊一一對應,並標明你指的是哪個分量。該約定還強制一種紀律:合法表達式中同一個指標絕不出現三次,且求和的一對應當是一上一下——這靜悄悄地提醒你,正在把逆變對象與協變對象配對。

這不只是簡寫,它是張量微積分、廣義相對論、連續介質力學與現代微分幾何的工作語言。正因為規則把上指標與下指標配成對,它產生的求和恰恰是那些具有幾何意義、與坐標無關的組合(縮併),這就是為什麼愛因斯坦記號讓正確的方程容易寫出、讓許多錯誤的方程根本無法寫出。唯一要守住的紀律是對上下保持誠實:在平直笛卡爾坐標中人們偷懶,把一切都寫在下方,但在彎曲空間或非正交坐標中,上下之分是真實的,必須尊重。

在度規為 g 的空間中,向量長度的平方寫作 ds^2 = g_{ij} dx^i dx^j。i 和 j 都重複出現(各自一次出現在 dx 的上方、一次在 g 的下方),所以這個簡短表達式暗中表示對 i 與 j 的雙重求和,即對所有座標對取 g_{ij} dx^i dx^j 之和——在三維中這是九項被壓縮進四個符號。

兩對重複指標,兩個隱藏的求和——約定把九項變成四個符號。

若某個重複指標本不打算求和,必須顯式標註(人們會寫「i 不求和」);而某指標在同一項中正當地出現三次,則是你算錯了的信號,而非某種新的求和。

又稱
summation conventionrepeated-index summation求和约定求和約定