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对称代数与指标的升降

楔积的镜像是对称积,它刻画多项式与二次型。随后,内积让我们在向量与余向量之间转换——升降指标。

对称积

楔积要求变号,对称代数恰恰相反:v·w = w·v。把张量代数对关系 v⊗w − w⊗v = 0 作商,分次部分 Sym^k V 就成为以基向量为变量的 k 次齐次多项式空间。Sym^2 V 正是二次型的归宿——第一卷用对称矩阵 B 写作 u^T B v 的那些东西。

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.
二次张量分裂为对称部分(Sym^2)与反对称部分(Λ^2)。

向量与余向量

上指标对象 v^i 住在 V 中;下指标对象 a_i 住在由线性泛函组成的对偶空间 V* 中。没有额外结构时,这是两个不同的空间——没有把向量变成泛函的典范方式。但内积恰好提供了这座桥梁。

给定一个矩阵为 g_{ij} 的内积,降指标意为 v_i = g_{ij} v^j(与度规的缩并),升指标用逆 g^{ij}:v^i = g^{ij} v_j。在标准正交基下 g 是单位矩阵,因此升降指标毫无可见效果——这正是第一卷能够模糊向量与其转置之别的原因。

一段指标演算实例

我们来在一个具体例子上推指标。取 V = R^2,并赋予非标准正交的内积 g = [2, 1; 1, 1],于是 g^{-1} = [1, −1; −1, 2]。我们将对同一向量先降后升,确认能回到出发点。

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;往返即恒等,范数即一次缩并。