Кіріспе

Метрикалық тензордың оң, теріс және нөлдік өзіндік мәндерінің саны Математикада, g метрикалық тензордың (немесе, сол сияқты, шекті өлшемді векторлық кеңістіктегі нақты симметриялық билинейлік нысан ретінде қарастырылатын нақты квадраттық форма) қолтаңбасы (v, p, r) – бұл базаға қатысты метрикалық тензордың gab нақты симметриялық матрицасының оң, теріс және нөлдік өзіндік мәндерінің саны (көптікпен саналған). Релятивистік физикада v әдетте уақыт немесе виртуалды өлшемдер санын, ал p кеңістіктің немесе физикалық өлшемдердің санын білдіреді. Сонымен қатар, оны максималды оң және нөлдік субкеңістіктің өлшемдері ретінде анықтауға болады. Сильвестрдің инерция заңы бойынша бұл сандар негізді таңдауға байланысты емес және осылайша метриканы жіктеу үшін пайдаланылуы мүмкін. Қолтаңба көбінесе r = 0 дегенді білдіретін бүтін сандар жұбымен (v, p) немесе (+, −, −, −) немесе (−, +, +, +) сияқты өзіндік мәндердің белгілерінің нақты тізімі ретінде (1, 3, 0) және (3, 1, 0) қолтаңбалары үшін көрсетіледі. Егер v және p нөлден бөлек болса, қолтаңба анықталмаған немесе аралас деп айтылады, ал егер r нөлден бөлек болса, дегенеративті деп айтылады. Риман метрикасы – оң нақты қолтаңбасы бар метрика (v, 0). Лоренц метрикасы – қолтаңбасы бар метрика (p, 1) немесе (1, p). (v − p) ретінде анықталған бір сан арқылы берілген дегенерацияланбаған метрикалық тензордың қолтаңбасының тағы бір түсінігі бар, мұнда v және p жоғарыда көрсетілгендей, бұл n = v + p өлшем берілген немесе жасырын болған кезде жоғарыда көрсетілген анықтамаға тең. Мысалы, s = 1 − 3 = −2 (+, −, −, −) үшін және оның керісі s' = −s = +2 (−, +, +, +) үшін.

Анықтама

Метриялық тензордың қолтаңбасы тиісті квадраттық форманың қолтаңбасы ретінде анықталады. Ол кез келген матрицаның (яғни, жатқан векторлық кеңістіктің кез келген негізінде) оң, теріс және нөлдік өзіндік мәндерінің саны (v, p, r) болып табылады, олар алгебралық көбейтулерімен есептеледі. Әдетте, талап етіледі, яғни метриялық тензор дегенерациясыз болуы керек, атап айтқанда, нөлдік емес векторлардың барлығына ортогональ болатын вектор болмайды. Сильвестрдің инерция заңы бойынша (v, p, r) сандары негізден тәуелсіз.

Қолтаңба және өлшем

Спектрлік теорема бойынша, нақты сандар жиынындағы симметриялық n × n матрица әрқашан диагональға келтіріледі, демек, дәл n нақты өзіндік мәні болады (алгебралық еселігімен есептелінеді). Осылайша 1 = v + p = n = dim(V).

Сильвестрдің инерция заңы: негізді таңдаудың тәуелсіздігі және ортонормальды негіздің болуы

Сильвестрдің инерция заңы бойынша, скаляр көбейтіндісінің (сондай-ақ нақты симметриялық билинейрлік форма) g белгісі негіз таңдауына тәуелді емес. Әрі, (v, p, r) қолтаңбалы әрбір g метрикасы үшін, 1=a=b=1 болғанда gab = +1, 1=a=b=v+1 болғанда gab = −1, ал қалған жағдайларда gab = 0 болатын негіз бар. Осыдан (V1, g1) → (V2, g2) изометриясы g1 және g2 қолтаңбалары тең болғанда ғана мүмкін екені шығады. Сол сияқты, қолтаңба екі конгруэнтті матрица үшін де тең болады және матрицаны конгруэнттілікке дейін жіктейді. Балама ретінде, қолтаңба жалпы сызықтық топ GL(V) орбиталарында симметриялық 2-ретті ковариантты тензорлар кеңістігі S2V∗-де тұрақты болады және әрбір орбитаны жіктейді.

Индекстерді геометриялық түсіндіру

v саны (сәйкесінше p) – скалярлық көбейтінді g оң анықталған векторлық кіші кеңістіктің ең үлкен өлшемі (сәйкесінше, теріс анықталған). Ал r – скалярлық көбейтінді g түбірінің өлшемі немесе скалярлық көбейтіндінің симметриялық матрицасы gab-тың нөлдік кіші кеңістігі. Осылайша, дегенерацияланбаған скалярлық көбейтіндіде (v, p, 0) қолтаңбасы болады, мұнда 1 = v + p = n. (v, p, 0) ерекше жағдайларының дуалдығы екі скалярлық өзіндік мәнге сәйкес келеді, оларды бір-біріне айналдыруға болады.

Қолтаңбаны есептеу әдісі

Матрицаның қолтаңбасын есептеудің бірнеше әдісі бар. Кез келген дегенерацияланбаған симметриялық n × n матрица үшін оны диагональдауға болады (немесе оның барлық өзіндік мәндерін табуға болады) және оң және теріс белгілердің санын санауға болады. Симметриялық матрицаның сипаттамалық полиномында кейбір жағдайларда Декарттың белгілер ережесімен толық анықталатын нақты түбірлердің барлығы болады. Лагранж алгоритмі ортогоналды базаны есептеуге мүмкіндік береді, соның арқасында бастапқы матрицаға сәйкес келетін (яғни, бірдей қолтаңбаға ие) диагональдық матрицаны есептеуге болады: диагональдық матрицаның қолтаңбасы – оның диагоналіндегі оң, теріс және нөлдік элементтердің саны. Якоби критерийы бойынша, симметриялық матрица оң белгілі болады, егер және тек қана оның басты кіші матрицаларының барлық детерминанттары оң болса.

Қолтаңбаның өзгеруі

Егер метрика барлық жерде реттелген болса, онда метриканың қолтаңбасы тұрақты болады. Дегенмен, егер гипербеттердің кейбіреулерінде дегенеративті немесе үзіліске ұшыраған метрикаларға рұқсат етілсе, онда метриканың қолтаңбасы осы беттерде өзгеруі мүмкін. Мұндай қолтаңбаны өзгертетін метрикалар космология және кванттық гравитация салаларында қолданылуы мүмкін.