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對稱代數與指標的升降

楔積的鏡像是對稱積,它刻畫多項式與二次型。隨後,內積讓我們在向量與餘向量之間轉換——升降指標。

對稱積

楔積要求變號,對稱代數恰恰相反:v·w = w·v。把張量代數對關係 v⊗w − w⊗v = 0 作商,分次部分 Sym^k V 就成為以基向量為變數的 k 次齊次多項式空間。Sym^2 V 正是二次型的歸宿——第一卷用對稱矩陣 B 寫作 u^T B v 的那些東西。

For n = dim V = 3:
  dim Sym^k V = C(n+k-1, k).
  Sym^2 of R^3 has dim C(4,2) = 6, basis:
    x^2, y^2, z^2, xy, xz, yz   (the symmetric monomials)
  -> exactly the 6 free entries of a symmetric 3x3 matrix.

Compare the two quotients of degree 2 over R^3:
  dim Sym^2 V = 6   (symmetric part:   T_{ij} = T_{ji})
  dim Lambda^2 V = 3 (antisymmetric:    T_{ij} = -T_{ji})
  6 + 3 = 9 = dim(V (x) V).   Every 2-tensor splits sym + antisym.
二次張量分裂為對稱部分(Sym^2)與反對稱部分(Λ^2)。

向量與餘向量

上指標物件 v^i 住在 V 中;下指標物件 a_i 住在由線性泛函組成的對偶空間 V* 中。沒有額外結構時,這是兩個不同的空間——沒有把向量變成泛函的典範方式。但內積恰好提供了這座橋樑。

給定一個矩陣為 g_{ij} 的內積,降指標意為 v_i = g_{ij} v^j(與度規的縮併),升指標用逆 g^{ij}:v^i = g^{ij} v_j。在標準正交基下 g 是單位矩陣,因此升降指標毫無可見效果——這正是第一卷能夠模糊向量與其轉置之別的原因。

一段指標演算實例

我們來在一個具體例子上推指標。取 V = R^2,並賦予非標準正交的內積 g = [2, 1; 1, 1],於是 g^{-1} = [1, −1; −1, 2]。我們將對同一向量先降後升,確認能回到出發點。

Metric and its inverse:
  g   = [ 2  1 ;  1  1 ]        g^{-1} = [  1  -1 ;  -1   2 ]
  (check:  g * g^{-1} = I)

Start with vector  v^j = (3, 4)   (upper index, a genuine vector).

LOWER:  v_i = g_{ij} v^j
  v_1 = 2*3 + 1*4 = 10
  v_2 = 1*3 + 1*4 = 7        ->  v_i = (10, 7)   (now a covector)

RAISE back:  v^i = g^{ij} v_j
  v^1 =  1*10 + (-1)*7 = 3
  v^2 = (-1)*10 + 2*7  = 4   ->  v^i = (3, 4)   back to start.

Norm via the metric (a double contraction):
  ||v||^2 = g_{ij} v^i v^j = v_i v^i = 10*3 + 7*4 = 58.
用 g 降、用 g 的逆升;往返即恆等,範數即一次縮併。