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列维-奇维塔符号
2020-07-03 08:48:03

利威尔-奇维塔符号(Levi-Civita symbol),特别在线性代数,张量分析和微分几何等数学范畴中很常见到。对于正整数 ,它以1, 2, ..., 所形成排列的奇偶性来定义。它以意大利数学家和物理学家图利奥·列维-齐维塔命名。其他名称包括排列符号,反对称符号或交替符号。这些名称与它排列和反对称的性质有关。

列维-奇维塔符号的标准记号是希腊小写字母 ε 或 ϵ ,较不常见的也有以拉丁文小写 记号。下标符能与张量分析兼容的方式来显示排列:

其中每个下标指标 1, 2, ..., 取值介乎 1 到 。在 12... 中,共有 个指标排列,可以排成为一个 维阵列。

当任何两个指标相等,则定义符号值等于 0 :

当全部指标都不相等时,我们定义:

其中 称为“排列的奇偶性” (parity of permutation),是要将 1, 2, ..., 变换成自然次序 1, 2, ..., ,所需的对换次数。而因子 (−1) 被称为“排列正负号” (signum of permutation)。这里, 12... 的值必须有定义,否则其他特定排列的符号值将无法确定。大多数作者选择 +1 作为自然次序的值:

在本文中,也将使用这个定义。

从定义可知,当任何两个指标互换,则须加上负号:

这称为“完全反对称性”。

维列维-奇维塔符号”一词是指符号上的指标数 ,和所讨论的向量空间维度相符,其中可指欧几里得空间或非欧几里得空间,例如 R3 的 = 3 或闵可夫斯基空间的 = 4 。

列维-奇维塔符号的值,与参考坐标系无关。此外,这里使用“符号”一词。强调了它并不是一个张量;然而,它可以被理解为张量的密度。

列维-奇维塔符号可用来表示正方矩阵的行列式,及三维欧几里德空间中的两个向量的叉积。

列维-奇维塔符号最常用于三维和四维,并在一定程度上用于二维,因此在定义一般情况之前,先给出这些符号值。

在二维中,列维-奇维塔符号定义如下:

这些值可以排列成 2×2 反对称矩阵:

相对于其他维度,二维的列维-奇维塔符号并不常见,虽然在某些专门的主题,如超对称和扭量理论中,谈及2-旋量时会用到。

三维以上的列维-奇维塔符号更常用。在三维中,列维-奇维塔符号定义如下:

也就是说,如果 (, , ) 是 (1, 2, 3) 的偶排列,则符号值为 +1 。如果是奇排列,则符号值为 −1 。如果任何两个索引重复,则符号值为 0 。

仅在三维中, (1, 2, 3) 的循环排列都是偶排列,反循环排列都是奇排列。这意味着在三维中,仅观察 (, , ) 是 (1, 2, 3) 的循环排列,还是反循环排列,就足以分辨其奇偶性。

类似于二维矩阵,三维列维-奇维塔符号的值可以排成 3×3×3 阵列:

其中 是深度 (蓝色: = 1; 红色: = 2; 绿色: = 3) , 是横行, 是直列。

以下是一些例子:

在四维中,列维-奇维塔符号定义如下:

这些值可以排成 4×4×4×4 阵列,然而四维以上较难描绘出示意图。

以下是一些例子:

更一般地推广到 维中,则列维-奇维塔符号的定义为:

又可使用求积符号 ∏ 表达为:

其中的 sgn() 是符号函数,根据 的正负给出 +1 、 0 或 −1。该公式对对于任何 及任何指标排列都有效(当 = 0 或 1 时,定义为空积 1)。

然而,计算以上公式的时间复杂度为 O(2) ,而以不交循环排列的性质计算,则只需 O( log()) 。

两个列维-奇维塔符号的积,可以用一个以广义克罗内克函数表示的行列式求得:

在线性代数中, 3×3 的方阵 = () :

其行列式可以写为:

类似地, × 矩阵 = () 的行列式可以写为:

对于向量 a 与 b ,它们的叉积:

对于向量 a 、 b 与 c ,它们的三重积:


由列维-奇维塔符号给出(共变等级为n)张量在正交基础中的组成部分,有时称为“排列张量”。

根据普通的张量变换规则,列维-奇维塔符号在纯旋转下不变,与正交变换相关的所有坐标系统(在定义上)相同。然而,列维-奇维塔符号是一种赝张量,因为在雅可比行列式−1的正交变换之下,例如,一个奇数维度的镜射,如果它是一个张量,它“应该”有一个负号。由于它根本没有改变,所以列维-奇维塔符号根据定义,是一个赝张量。

由于列维-奇维塔符号是赝张量,因此取叉积的结果是赝张量,而不是向量。

在一般坐标变换下,排列张量的分量乘以变换矩阵的雅可比。这表示在与定义张量的坐标系不同的坐标系中,其组成部分与列维-奇维塔符号表示的那些,不同之处在于一整体因子。如果坐标是正交的,则根据坐标的方向是否相同,因子将为±1。

在无指标的张量符号中,列维-奇维塔符号被霍奇对偶的概念所取代。

在使用张量的指标符号来操作分量的上下文中,列维-奇维塔符号可以将其指标写为下标或上标,而不改变意义,这也许是方便的如下写成:

在这些例子中,上标应该被视为与下标相同。

使用爱因斯坦标记法可消除求和符号,其中两个或多个项之间重复的指标表示该指标的求和。例如,

以下的例子使用爱因斯坦标记法。

在二维上,当所有 i {\displaystyle i} j {\displaystyle j} m {\displaystyle m} n {\displaystyle n} 各取值1和2时,

ε i j ε m n = δ i m δ j n δ i n δ j m {\displaystyle \varepsilon _{ij}\varepsilon ^{mn}={\delta _{i}}^{m}{\delta _{j}}^{n}-{\delta _{i}}^{n}{\delta _{j}}^{m}}

 

 

 

 

(1)

ε i j ε i n = δ j n {\displaystyle \varepsilon _{ij}\varepsilon ^{in}={\delta _{j}}^{n}}

 

 

 

 

(2)

ε i j ε i j = 2. {\displaystyle \varepsilon _{ij}\varepsilon ^{ij}=2.}

 

 

 

 

(3)

在三维中,当所有 i {\displaystyle i} j {\displaystyle j} k {\displaystyle k} m {\displaystyle m} n {\displaystyle n} 各取值1,2和3时:

ε i j k ε i m n = δ j m δ k n δ j n δ k m {\displaystyle \varepsilon _{ijk}\varepsilon ^{imn}=\delta _{j}{}^{m}\delta _{k}{}^{n}-\delta _{j}{}^{n}\delta _{k}{}^{m}}

 

 

 

 

(4)

ε j m n ε i m n = 2 δ j i {\displaystyle \varepsilon _{jmn}\varepsilon ^{imn}=2{\delta _{j}}^{i}}

 

 

 

 

(5)

ε i j k ε i j k = 6. {\displaystyle \varepsilon _{ijk}\varepsilon ^{ijk}=6.}

 

 

 

 

(6)

列维-奇维塔符号与克罗内克函数有关。 在三维中,关系由以下等式给出(垂直线表示行列式):

这个结果的一个特例是(4):

有时候称为“contracted epsilon identity”。

在爱因斯坦标记法中, i {\displaystyle i} 指标的重复表示 i {\displaystyle i} 的总和。然后前一个被表示为 ε i j k ε i m n = δ j m δ k n δ j n δ k m {\displaystyle \varepsilon _{ijk}\varepsilon _{imn}=\delta _{jm}\delta _{kn}\delta _{jn}\delta _{km}}

n维中,当所有 i 1 , , i n , j 1 , , j n {\displaystyle i_{1},\ldots ,i_{n},j_{1},\ldots ,j_{n}} take values 1 , 2 , , n {\displaystyle 1,2,\ldots ,n}

ε i 1 i n ε j 1 j n = n ! δ j n = δ i 1 i n j 1 j n {\displaystyle \varepsilon _{i_{1}\dots i_{n}}\varepsilon ^{j_{1}\dots j_{n}}=n!\delta _{}^{j_{n}}=\delta _{i_{1}\dots i_{n}}^{j_{1}\dots j_{n}}}

 

 

 

 

(7)

ε i 1 i k   i k + 1 i n ε i 1 i k   j k + 1 j n = k ! ( n k ) !   δ j n = k !   δ i k + 1 i n j k + 1 j n {\displaystyle \varepsilon _{i_{1}\dots i_{k}~i_{k+1}\dots i_{n}}\varepsilon ^{i_{1}\dots i_{k}~j_{k+1}\dots j_{n}}=k!(n-k)!~\delta _{}^{j_{n}}=k!~\delta _{i_{k+1}\dots i_{n}}^{j_{k+1}\dots j_{n}}}

 

 

 

 

(8)

ε i 1 i n ε i 1 i n = n ! {\displaystyle \varepsilon _{i_{1}\dots i_{n}}\varepsilon ^{i_{1}\dots i_{n}}=n!}

 

 

 

 

(9)

惊叹号( ! {\displaystyle !} )代表阶乘,而 δ β α {\displaystyle \delta _{\beta \ldots }^{\alpha \ldots }} 是广义克罗内克函数,对于任意n有属性:

从以下事实可得出:

一般来说,对于n维,两个列维-奇维塔符号的乘积可以写成:

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