¿Hay una derivada contravariante? Si no, ¿por qué?

Si bien podría simplemente responder con un “no”, creo que esta pregunta merece una respuesta más matizada.

Como explica Wikipedia, los componentes de algo así como un vector de dirección deben transformarse bajo una transformación de coordenadas de modo que compensen el cambio de base … es decir, “contra-varían” con el cambio de base.

Los vectores base, a su vez, sirven como vectores tangentes para la variedad. Vectores tangentes en general, por lo tanto “co-varían” con la base: estos son los vectores covariantes.

Cuando tomamos una derivada que tiene en cuenta la curvatura de la variedad, la derivada se encuentra a lo largo de vectores tangentes. Por lo tanto, la derivada (de un campo escalar, por ejemplo) varía de la misma manera que los vectores tangentes: es una derivada covariante.

Esto también se hace evidente en la notación. Cuando diferenciamos con respecto a las coordenadas, las coordenadas son contravariantes y terminan en el denominador. Por lo tanto, el operador derivado ordinario se convierte en [matemática] \ parcial_ \ mu = \ parcial / \ parcial x ^ \ mu [/ matemática], por ejemplo (un índice superior o contravariante en el denominador es lo mismo que un índice inferior o covariante en el numerador). Lo mismo se aplica a la diferenciación covariante, por lo que la derivada covariante con respecto a [math] x ^ \ mu [/ math] es [math] \ nabla_ \ mu [/ math].

Dicho esto, si una métrica está presente, uno podría elegir definir una “derivada contravariante”: [math] \ nabla ^ \ mu = g ^ {\ mu \ nu} \ nabla_ \ nu [/ math]. Mientras se cumpla la condición métrica (es decir, todas las derivadas covariantes del tensor métrico son idénticamente cero, [matemática] \ nabla_ \ kappa g _ {\ mu \ nu} = 0 [/ matemática]), también podríamos movernos la métrica bajo la derivada: es decir, [matemática] \ nabla ^ \ mu X = g ^ {\ mu \ nu} \ nabla_ \ nu X = \ nabla_ \ nu (g ^ {\ mu \ nu} X) [/ matemáticas]. Pero si bien los índices superiores a menudo se usan junto con el operador de derivada covariante por conveniencia de notación, generalmente no se llama la “derivada contravariante”. Esto se debe a que la diferenciación real todavía tiene lugar con respecto a los vectores tangentes, ya sea que se generen o no índices después.

¿Hay una derivada contravariante? Si no, ¿por qué?

Es lamentable, pero la covariante describe dos cosas diferentes. Uno nos dice que los componentes de un covector se transforman con los diferenciales de coordenadas. De modo que los vectores se transforman de forma contraria con la inversa de los diferenciales de coordenadas.

En cuanto a la derivada covariante, actúa igualmente bien en los índices superiores, inferiores y mixtos. Podría, por supuesto, encontrar una, que en cierto sentido, sea complementaria a la derivada covariante. Debe tener buenas propiedades: obedece la regla del producto Leibniz, su acción en un tensor es un tensor, actúa linealmente sobre sus argumentos, etc.

Sin embargo, y para no revelar demasiado, hay un sentido real en el que la conexión en vectores y la conexión en formas 1 pueden verse como contravariantes y covariantes, respectivamente.