Krumlinjete koordinater

Krumlinjete koordinater er koordinatsystem hvor en eller flere av koordinatlinjene er krumme. På samme måte vil også en eller flere av koordinatflatene ha krumning.  For å angi punkter på Jordens overflate benyttes for eksempel lengdegrad og breddegrad, som er slike koordinater. I astronomien bruker man på tilsvarende vis forskjellige himmelkoordinater.

Krumlinjete koordinater kan benyttes i euklidske rom hvor bestemte symmetriforhold gjør det naturlig og dermed tillater en enklere, matematisk beskrivelse. Et eksempel er utledningen av Keplers lover for planetbevegelse under påvirkning av tyngdekraften fra Solen. Dette gjøres enklest i kulekoordinater, da tyngdekraften bare avhenger av avstanden og derfor er symmetrisk om alle sentrale akser. På samme måte benyttes disse koordinatene i atomfysikken, hvor elektronene beveger seg i Coulomb-potensialet fra atomkjernen. For et molekyl som består av to atomer vil derimot polarkoordinater være naturlige, da molekylet kun har symmetri om aksen som forbinder atomene.

I ikke-euklidske rom beskrevet ved riemannsk geometri, er slike koordinater påkrevet. Dette gjelder på krumme flater og i Einsteins generelle relativitetsteori. Den forklarer hvordan det firedimensjonale tidrommet er krummet av den masse og energi som det inneholder. Moderne kosmologi er derfor beskrevet i slike koordinatsystem.

Basisvektorer

Krumlinjete koordinater kan defineres i et euklidsk rom ved å uttrykke de tre kartesiske koordinater xm = (x,y,z) som ikke-lineære funksjoner av tre nye parametre  xμ = (x1,x2,x3). Skrives dette som  må disse koordinattransformasjonene være «invertible» i et lokalt område av rommet, slik at man også kan beregne de inverse transformasjonene  For eksempel, når man benytter polarkoordinater

i et todimensjonalt plan, så er den inverse transformasjonen

gyldig i halvplanet x > 0. I det andre halfplanet finnes en tilsvarende, invers transformasjon.
 
Hvis de kartesiske basisvektorene kalles for em , hvor den latinske indeksen m tar like mange verdier som dimensjonen på rommet, kan et vilkårlig punkt i rommet angis ved «posisjonsvektoren» . Vektorrommet har en euklidsk metrikk, og basisvektoren har per definisjon et indreprodukt

 

uttrykt ved Kronecker-deltaet på høyre side. Ved bruk av Einsteins summekonvensjon, som sier at man alltid skal summere over to like indekser i et matematisk uttrykk, kan posisjonsvektoren mer kompakt skrives som . På den måten er dens form uavhengig av hvor mange dimensjoner rommet har. Indeksen til den kartesiske koordinaten xm kunne like godt stått nede, men det er hensiktsmessig å la den stå oppe.

Krumlinjet basis
Når man varierer bare én av koordinatene xμ  i ligningene xm = xm(xμ ), beskriver de koordinatlinjen for denne koordinaten. Da koordinattransformasjonene er ikke-lineære, vil dette i alminnelighet være en krum kurve. I hvert punkt kan man nå velge å bruke tangentvektorene  til disse koordinatlinjene som nye, lokale basisvektorer. Brukes det kartesiske uttrykket for posisjonsvektoren r, blir

 

når man benytter Einsteins summekonvensjon og summerer over like indekser. Denne krumlinjete basisen vil derfor være forskjellig fra punkt til punkt, gitt ved matrisen  som er Jacobi-matrisen for transformasjonen. Lokalt i hvert endelig område av rommet kan den inverse matrisen  finnest.

I en liten omegn om et punkt kan man nå uttrykke enhver vektor V  ved sine komponenter på denne lokale basisen. Det betyr at  hvor

 

Disse nye komponentene sies å være kontravariante, da de transformerer på motsatt vis sammenlignet med basisvektorene . Alle vektorer skal ha komponenter som transformerer på denne måten. Men dette betyr også at i dette koordinatsystemet er ikke lenger posisjonsvektoren r noen vektor, ettersom den ikke innfrir denne betingelsen. For separasjonen mellom to nære punkt gjelder derimot  =   hvor
 
 

Derfor er  den differensielle separasjonen  en ekte vektor.

Avstanden ds  mellom to nærliggende punkt separert med vektoren  følger fra  =  Dette «differensielle linjeelementet» kan derfor skrives som

  

hvor   er  komponentene til den metriske tensoren som må benyttes for slike krumlinjete koordinater. Tilsammen utgjør de en matrise med elementer som følger direkte fra transformasjonsligningene, 
    
 

Endelige avstander mellom forskjellige punkter i rommet må beregnes fra linjeelementet ved integrasjon. Den korteste avstanden mellom to punkt er en geodetisk kurve. Den tilsvarer en rett linje i det euklidske rommet.

Volumelement

Metrikken kan også benyttes til å beregne volumer i krumlinjete koordinater. Har rommet tre dimensjoner, betraktes først et lite parallellepiped definert ved de infinitesimale vektorene ,    og   langs koordinatlinjene gjennom et punkt. Volumet av dette er da gitt ved trippelproduktet

 

Men fra transformasjonsligningene for basisvektorene følger at trippelproduktet her kan uttrykkes ved determinanten til Jacobi-matrisen,
 = . Dette igjen er forbundet til metrikken via  ved å bruke regelen for beregning av determinanten til produktet av matriser. På den måten blir det differensielle volumelementet

 

ved å bruke den mer kompakte notasjonen  Dette resultatet kan generaliseres til å være gyldig i rom med et vilkårlig antall dimensjoner.

Eksempel

I polarkoordinater r = r cosθ ex  + r sinθ ey  finnes de transformerte basisvektorene ved direkte derivasjon,

Indreproduktene gir de metriske komponentene   og  Basisvektorene står derfor vinkelrett på hverandre slik at den metriske matrisen er diagonal,

 

På denne måten blir  det differensielle linjeelementet i disse koordinatene. I andre koordinatsystem kan alltid den samme fremgangsmåten benyttes for å konstruere den nye koordinatbasisen.

I to dimensjoner gir det differensielle volumelementet arealet av tilsvarende lite flateelement  I polarkoordinater er determinanten  Skal man for eksempel i disse koordinatene beregne arealet av en sirkel med radius R, blir det

 

Mer generelt kan alle lignendene integral regnes ut på tilsvarende måte når integrandene er uavhengige av polarvinkelen θ.

Dual basis og kovariante komponenter
Når koordinaten  holdes fast, beskriver denne ene ligningen en flate i det euklidske rommet. På samme måte beskriver de andre transformasjonsligningene tilsvarende flater. Hvert punkt i rommet  ligger på skjæringspunktet mellom slike flater. I nærmest omegn kan man benytte normalvektorene  til disse flatene som et alternativt set med basisvektorer. De danner en dual basis som også blir kalt for en « kobasis» og blir skrevet med den greske indeksen i hevet posisjon. Hver slik vektor står vinkelrett på  tangentvektorene  i de andre retningene. Det følger fra direkte fra definisjonene,

 

De kontravariante komponentene til vektoren    kan derfor bestemmes direkte fra indreproduktet  Alternativt kan man nå skrive vektoren uttrykt ved dens komponenter i den duale basisen, det vil si at . Dette er vektorens kovariante komponenter
 Men dette er også lik med    som betyr at

 

Metrikken  kan derfor brukes til å «senke» en kontravariant indeks slik at man får en kovariant komponent. På tilsvarende måte er en kontravariant komponent gitt som  hvor  utgjør elementene i den metriske matrisen

 

At begge indeksene står oppe, betyr at denne inneholder de kontravariante komponentene av metrikken. Denne er igjen den inverse av den kovariante metrikken  Det er en direkte konsekvens av definisjonene

 

da Kronecker-deltaet på høyre side utgjør elementene i enhetsmatrisen.

Med disse to metriske matrisene kan man skifte mellom kontravariante og kovariante komponenter. For eksempel,  indreproduktet mellom vektorene V og U som er  kan derfor skrives på de ekvivalente formene

Koordinattransformasjoner
Hvis man velger å benytte et annet, krumlinjet koordinatsystem  i det samme rommet, vil man også ha en sammenheng  i de områdene hvor begge koordinatsystemene overlapper. Sammenhengene mellom deres basisvektorer er dermed

 

Det betyr at for en vektor  vil de kontravariante komponentene transformere som

 

mens komponentene til metrikken   transformerer som

 

det vil si som de kovariante komponentene til en tensor av rang to. I krumlinjete koordinater blir derfor metrikken omtalt som en «metrisk tensor».

Gradient

I det euklidske rommet E3 er den vanlige gradienten til en skalar funksjon Φ(x)  definert som

 

Det er her naturlig å skrive basisvektorene som em selv om det vanligvis ikke er av betydning. Men ved en transformasjon til de krumlinjete koordinatene oppstår forbindelsen

 

med den duale basisen. Gradienten tar da formen

 

i dette mer generelle koordinatsystemet når den defineres på denne måten. På dette viset er gradienten automatisk definert med kovariant komponenter i motsetning til en vanlig vektor som har kontravariante komponenter. Gradienten får dermed samme form i alle koordinatsystem.  Det gir den en særstilling i vektoranalysen hvor den også kalles for en differensial 1-form.

Christoffel-symbol

Hvis man betrakter et vektorfelt  uttrykt i den kartesiske basisen, så forandrer det seg  fra sted til sted i rommet gjennom varisjonene  av komponentene. Hvis man i stedet benytter krumlinjete koordinater slik at , så vil også basisvektorene  variere med posisjonen i rommet. Den totale forandringen av vektorfeltet får dermed to bidrag som kan uttrykkes ved en utvidet form for derivasjon. Den kalles den «kovariante deriverte» av vektorfeltet.

Hvordan komponentene varierer, kan uttykkes ved de partielle deriverte  hvor operatoren  På samme måte er forandringene til basisvektoren gitt ved de partielle deriverte  Denne vektoren må kunne uttrykkes som en lineærkombinasjon av de andre basisvektorene slik at man kan skrive

 

når man igjen benytter Einsteins summekonvensjon og summerer over like indekser. De nye og foreløbig ukjente koeffisientene  kalles Christoffel-symbol etter den tyske matematiker Elwin Christoffel som innførte disse størrelsene for omtrent 150 år siden. Da  =  så er dette symbolet symmetrisk i sine to nedre indekser. Det vil si at man alltid har at 

Størrelsen på Christoffelsymbolene finnes fra metrikken  Deriveres denne i retning   får man

 

Dette forenkles ved å definere

 

som kalles et «Christoffel-symbol av første sort», mens det tidligere symbolet   da blir et «Christoffel-symbol av andre sort». Den deriverte av metrikken kan da skrives som  . To lignende uttrykk kan herav finnes ved å bytte om på indeksene og bruke de symmetriene som de har. Ved å innføre den alternative skrivemåten ∂αf = f,α  for partiell derivasjon som derfor kan kalles «komma-derivasjon», gir disse tre relasjonene resultatet

 

for Christoffel-symbolet. Det er også symmetrisk i de to siste indeksene. Selv om det ser ut som en tensor med tre indekser, er det bare tilsynelatende. En direkte utregning viser at det  transformerer på en mer komplisert måte under en koordinattransformasjon.

Ved direkte utregning i todimensjonale polarkoordinater finner man , mens . Likedan er , og  Vanligvis er flertallet av symbolene lik med null, men det er ikke lett uten videre å vite hvilke.

Kovariant derivasjon

Når variasjonen av basisvektorene fra sted til sted nå er etablert, kan man også finne hvordan et vektorfelt   varierer når det beskrives i krumlinjete koordinater. I retning  skrives denne forandringen ved å benytte en generalisert nabla-operator. Når den virker på en vektor, gir den en ny vektor

 

når man i siste ledd bytter om på indeksene som det summeres over. De to leddene i parentesen kalles for den kovariante deriverte av denne vektorkomponenten. Det er vanlig å angi denne ved et semikolon eller ved bruk av det samme  nabla-symbolet,

 

Navnet «semikolon-derivert» blir derfor også benyttet. Mens den partielt deriverte av en vektorkomponent ikke har noen tensoregenskaper, er den kovariante deriverte av en vektorkomponent en komponent av en tensor med rang to.

Den kovariant deriverte av en tensor kan finnes ut fra dette. For eksempel, en tensor av andre rang transformerer som tensorproduktet av to vektorer A  og B. Som for all annen derivasjon gjelder også da

 

Dermed blir den kovariante deriverte av produktet av de kontravariante komponentene

 

Mer generelt vil det samme mønster gjelde for den kovariante deriverte av en annenrangs tensor T med kontravariante komponenter Tμν. Kovariant derivasjon øker tensorens rang med en.

For å finne den kovariante deriverte av en kovariant vektorkomponent Aμ, kan man benytte at indreproduktet  er en skalar størrelse. Derfor må

 

Benytter man her det etablerte resultatet for  følger at

 

Herav kan kovariante deriverte av kovariante komponenter av tensorer av høyere rang finnes. Et viktig eksempel er den kovariante deriverte av den metriske tensoren som blir null,

 

Denne egenskapen til den kovariante deriverte kan utnyttes i uttrykk som ∇α Aμ som dermed kan beregnes fra  I motsetning til partiell derivasjon, opptrer metrikken som en konstant under kovariant derivasjon.

Retningsderivasjon

Derivasjonsoperatoren ∂α  benyttes til beregning av forandring i retning av basisvektoren  Bruken kan utvides til å gjelde i en vilkårlig retning gitt ved vektoren  Det kan gjøres ved å kombinere forandringene langs hver basisvektor. Det gir den mer generelle operatoren

 

som kalles for den retningsderiverte i denne retningen. Når den virker på en skalar funksjon f(x), er resultatet som ventet  Den gir også forandringen av et vektorfelt i samme retning ved at

 

som er en ny vektor. Samme operator kan også benyttes til å gi forandringen av vektorfeltet langs en kurve  i rommet. Da tangenten til kurven er  =  blir variasjonen av feltet langs denne gitt ved den totalderiverte

 

hvor retningsvektoren u nå har komponenter  som er gitt ved kurvens form. Denne sammenhengen involverer ingen indekser og er derfor gyldig i alle koordinatsystem. Så lenge det underliggende rommet er euklidsk, kan operatoren  defineres slik som her ved vanlige partialderiverte. Derimot i krumme rom beskrevet ved Riemanns differensialgeometri og i generell relativitetsteori har denne operatoren en mer fundamental betydning.

Fysiske komponenter

Fysiske komponenter av en vektor eller tensor angis vanligvis i et kartesisk koordinatsystem hvor alle basisvektorene har samme lengde. I krumlinjete koordinater kan man finne de samme komponentene ved å opprette et lite, lokalt koordinatsystem i hvert punkt med nye basisvektorer med samme lengde og som står vinkelrett på hverandre. I dette lokale aksekorset kan de fysiske komponentene avleses.

Dette er mest aktuelt å gjøre i rom med D = 3  dimensjoner og krumlinjete koordinater som har ortogonale basisvektorer. Da vil den metriske tensoren ha formen

 

hvor  og tilsvarende for de to andre basisvektorene. Normerte basisvektorer med samme lengde eller «enhetsvektorer» er da ,  og  slik at

 

Videre gjelder de fundamentale vektorproduktene  og de andre som følger fra syklisk ombytte av indekser.  Disse sammenhengene holder bare i tredimensjonale rom.

Alternativt kan man benytte de duale basisvektorene slik at   og tilsvarende for de to andre. En vektor som  kan da skrives i denne nye basisen som  Sammenhengen mellom de kontravariante og de fysiske kompontene til vektoren er dermed ,  og . På samme måte gjelder for de kovariante komponentene at ,  og .

Denne formalismen kan benyttes i mange praktiske sammenhenger, både i relativistisk og ikke-relativistisk fysikk. For eksempel kan Navier-Stokes-ligningene skrives i andre koordinater enn  kartesiske når det er mer praktisk.

Eksempel med partikkelbevegelse

Posisjonsvektoren  til en partikkel som beveger seg i et plan, forandrer seg med tiden . Den beskriver derfor en kurve  hvis tangentvektor  er lik med hastigheten til partikkelen. Foregår bevegelsen i et plan, kan det være en fordel å beskrive bevegelsen ved bruk av polarkoordinater . Kvadratet av linjeelementet er dermed  slik at den diagonale metrikken er gitt ved .

I dette systemet kan hastighetsvektoren skrives  hvor de kontravariante komponentene til hastigheten er  og . Akselerasjonen til partikkelen er definert som den retningsderiverte  i retning av selve hastigheten. Denne følger fra den kovariante deriverte og blir

 

når man setter inn for Christoffelsymbolene  som bidrar.  De kontravariante komponentene til akselerasjonen kommer dermed frem som  og 

Ifølge Newtons 2. lov er akselerasjonen proporsjonal med kraften som virker på partikkelen. I radiell retning er den fysiske komponenten av akselerasjon . Det siste leddet her gir opphav til den fiktive sentrifugalkraften som virker på partikkelen. Tilsvarende er den fysiske komponenten av akselerasjonen i angulær retning  hvor det siste leddet representerer den fiktive Coriolis-kraften.

Hvis den fysiske kraften er gitt ved Newtons gravitasjonslov, virker denne i radiell retning. I dette viktige tilfellet er derfor den fysiske komponenten .  Da det kan skrives som

 

har det som konsekvens at  er konstant under bevegelsen. Dette gjelder for en planets bevegelse rundt Solen og uttrykker Keplers 2. lov om flatehastighetens konstans. Den radielle komponenten til akselerasjonen kan så benyttes til å utlede de to andre Kepler-lovene.

Vektorderivasjon

I kartesiske koordinater blir vektorderivasjon utført ved hjelp av nabla-operatoren. Den enkleste operasjonen er gradienten av en skalar funksjon . De partialderiverte  er de kovariante komponentene av gradienten til funksjonen. Den første, fysiske komponenten av gradienten er derfor  og likedan for de andre. I denne normerte basis er derfor gradienten gitt som

 

Mer komplisert er beregningen av divergensen til en vektor  Den første termen gir et bidrag  som vil involvere den kovariante deriverte av basisvektoren . Men spesielt i D = 3  kan utregningen forenkles ved å benytte at  som gir

 

Det siste leddet her gir null da curl til en gradient er alltid lik null. I det første leddet kan gradienten nå skrives ut og gir

 

Ved å ta med de tilsvarende bidragene fra de to andre komponentene til vektoren, er da dens divergens uttrykt ved deriverte av de fysiske komponentene, gitt som

 

På samme måte kan curl til vektoren regnes ut. Den første komponenten gir nå

 

Igjen er det siste leddet en curl av en gradient og er dermed null. Ved å skrive gradienten i det første leddet ut, blir det

 

Bidragene fra de to andre leddene i vektoren vil ha en lignende form. Legges de sammen, kan resultatet uttrykkes som en determinant og skrives på den kompakte formen
 

på samme måte som for curl i kartesiske koordinater.

Det er nå ganske rett frem å finn Laplace-operatoren i slike kurvelineære koordinater. Den er definert som divergensen av gradienten til en funksjon og er derfor

Eksempel med kulekoordinater

I kulekoordinater  er  den diagonale metrikken gitt ved  slik at gradienten til en skalar funksjon blir

 

Likedan blir divergensen til et vektorfelt

 

mens  følger fra å skrive ut den tilsvarende determinanten i det generelle resultatet. Det fullstendige uttrykket for Laplace-operatoren blir likedan

Se også
 Koordinatsystem
 Kartesiske koordinater
 Polarkoordinater
 Kulekoordinater

Litteratur
 Ø. Grøn and A. Næss, Einstein's Theory, Springer, New York (2011). ISBN 978-1-4614-0706-5.
 M.L. Boas, Mathematical Methods in the Physical Sciences, John Wiley & Sons, New York (1983). ISBN 0-471-04409-1.
 M. R. Spiegel, Vector Analysis, Schaum's Outline Series, New York, (1959).
 E. Kreyzig, Differential Geometry, Dover Publications, New York (1991). ISBN 0-486-66721-9.

Eksterne lenker
 Peter Dunsby, Manifolds and tangent spaces, webpages about Tensors and Relativity.

Koordinatsystem
Analytisk geometri
Metriske tensorer