En la convención de suma de Einstein, ¿por qué los índices superiores en denominador son covariantes (equivalentes a los índices inferiores en numerador)?

Quiere decir que podría haber encontrado una notación para un tensor covariante (de rango uno aquí) como el siguiente:

[matemáticas] \ displaystyle \ large \ overset {-} {T} _j = \ frac {\ partial {x} ^ k} {\ partial \ overset {-} x ^ j} T_k [/ math]

La expresión anterior (que representa la ley de transformación para un tensor covariante de orden o rango uno) sin la convención de suma se escribe como:

[matemáticas] \ displaystyle \ large \ overset {-} {T} _j = \ sum _ {k = 1} ^ n \ frac {\ partial {x} ^ k} {\ partial \ overset {-} x ^ j} T_k [/ matemáticas]

Los índices superiores en la expresión de las derivadas parciales [matemáticas] \ displaystyle \ frac {\ partial {x} ^ k} {\ partial \ overset {-} x ^ j} [/ math] son solo superíndices que reemplazan los subíndices para las coordenadas de un punto o los componentes de un vector [matemática] \ left (x ^ 1, x ^ 2, \ text {…}, x ^ n \ right) [/ math] en un determinado marco de referencia, y cómo son relacionado con los componentes [matemática] \ left (\ bar {x} ^ 1, \ bar {x} ^ 2, \ text {…}, \ bar {x} ^ n \ right) [/ math] de ese punto en Otro marco de referencia.

Los índices más bajos que muestran que el tensor dado es covariante se encuentran en [math] \ overset {-} {T} _j [/ math] y [math] T_k [/ math].

Del mismo modo, las ecuaciones de transformación de los componentes de un tensor contravariante de rango uno entre dos sistemas de coordenadas se expresan como:

[matemáticas] \ displaystyle \ large \ overset {-} {T} ^ j = \ frac {\ partial \ overset {-} {x} ^ j} {\ partial x ^ k} T ^ k [/ math]

La expresión anterior sin la convención de suma se escribe como:

Aquí de nuevo Los índices superiores en las derivadas parciales [matemáticas] \ displaystyle \ frac {\ partial \ overset {-} {x} ^ j} {\ partial x ^ k} [/ math] son ​​solo superíndices que reemplazan los subíndices para las coordenadas de un punto o los componentes de un vector (un vector es un tensor de rango uno).

Entonces, los subíndices como [math] \ left (x_1, x_2, \ text {…}, x_n \ right) [/ math] o [math] \ displaystyle \ frac {\ partial \ overset {-} {x} _j} { \ partial x_k} [/ math] podría usarse, algunos libros de texto sobre cálculo de tensor comienzan con subíndices y luego introducen el uso de superíndices en capítulos posteriores, pero en general el uso de superíndices es una convención considerada como mejor o más útil en el análisis de tensor.

Los índices superiores que muestran que el tensor dado es contravariante son los de [math] \ overset {-} {T} ^ j [/ math] y [math] T ^ k [/ math].

En las expresiones tensoras anteriores, [math] k [/ math] se denomina índice ficticio porque cualquier otra letra o símbolo puede reemplazar [math] k [/ math] sin cambiar el significado de la expresión dada.

Por ejemplo, para un tensor contravariante podríamos escribir

[matemáticas] \ displaystyle \ large \ overset {-} {T} ^ j = \ frac {\ partial \ overset {-} {x} ^ j} {\ partial x ^ p} T ^ p [/ math]

y el significado de la expresión tensorial no cambia.

Covariante y contravariante se refiere a cómo los índices se transforman bajo una transformación de coordenadas. En este caso particular, la derivada parcial se transforma como un vector covariante bajo transformación de coordenadas, por lo tanto, es apropiado colocar los índices en la parte inferior. Permítanme ilustrar esto a continuación con las coordenadas estándar de Minkowski bajo la transformación de Lorentz:

Las coordenadas de Minkowski [matemáticas] x ^ {\ mu} = (t, x, y, z), \ mu = 0,1,2,3 \; [/ math] forma un vector contravariante espacio-tiempo que se transforma de la siguiente manera bajo una transformación de Lorentz

[matemáticas] x ^ {\ mu} \ rightarrow x ‘^ {\ mu} = \ Lambda ^ {\ mu} _ {\; \ nu} x ^ {\ nu} [/ math]

Esta relación se puede invertir para encontrar la transformación inversa.

[matemáticas] x ^ {\ mu} = (\ Lambda ^ {- 1}) ^ {\; \ mu} _ {\ nu} x ‘^ {\ nu} [/ matemáticas]

Permítanme comentar también cómo se transforma un vector covariante:

[matemáticas] V _ {\ alpha} \ rightarrow V ‘_ {\ alpha} = (\ Lambda ^ {- 1}) ^ {\; \ beta} _ {\ alpha} V _ {\ beta} [/ math]

Ahora preguntemos cómo se transforman las derivadas parciales bajo la transformación de Lorentz, es decir

[math] \ frac {\ partial} {\ partial x ^ {\ mu}} \ rightarrow \ frac {\ partial} {\ partial x ‘^ {\ mu}} [/ math]

Usando la regla de la cadena, podemos escribir la expresión anterior como

[matemáticas] \ frac {\ partial} {\ partial x ‘^ {\ mu}} = \ frac {\ partial x ^ {\ nu}} {\ partial x’ ^ {\ mu}} \ frac {\ partial} {\ partial x ^ {\ nu}} = (\ Lambda ^ {- 1}) ^ {\; \ nu} _ {\ mu} \ frac {\ partial} {\ partial x ^ {\ nu}} [/ matemáticas]

Observe cómo la transformación de la derivada parcial se ve exactamente como la transformación de un vector covariante. Para todos los efectos, el operador derivado actúa como un vector covariante bajo la transformación de Lorentz. Esta es la razón por la cual el índice se coloca en la parte inferior.

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