Кіріспе

Метрикалық байланысты сипаттайтын сандар массиві. Математика мен физикада Кристофель белгілері – метрикалық байланысты сипаттайтын сандар массиві. Метрикалық байланыс – аффиндік байланыстың, метрикасы бар беттерге немесе басқа көптүрліліктерге қатысты мамандануы, бұл сол беттердегі қашықтықты өлшеуге мүмкіндік береді. Дифференциалдық геометрияда аффиндік байланыс метрикаға сілтеме жасамай анықталуы мүмкін, сондай-ақ параллель көшіру, ковариантты туындылар, геодезиялықтар және т.б. сияқты көптеген қосымша ұғымдар метриканы талап етпейді. Дегенмен, метрика болған жағдайда, бұл ұғымдар тікелей көптүрліліктің «пішінімен» байланысты болуы мүмкін; бұл пішін тангенциалдық кеңістіктің метрикалық тензор арқылы котангенциалдық кеңістікке қалай бекітілгенімен анықталады. Абстракті түрде, көптүрліліктің байланысты (ортонормальды) кадр жиынтығы бар деуге болады, мұнда әрбір «кадр» координаттық кадрдың мүмкін таңдауы болып табылады. Инвариантты метрика, кадр жиынтығының құрылымдық тобының ортогональды топ O(p, q) екенін білдіреді. Осының салдарынан, мұндай көптүрлілік міндетті түрде (псевдо) Риманн көптүрлілігі болып табылады. Кристофель белгілері (псевдо) Риманн геометриясының байланысын көптүрліліктегі координаттар арқылы нақты бейнелейді. Параллель көшіру, геодезиялықтар және т.б. сияқты қосымша ұғымдар Кристофель белгілері арқылы өрнектелуі мүмкін. Жалпы алғанда, берілген метрикалық тензор үшін метрикалық байланыстардың шексіз саны бар; алайда, бұрылыссыз бірегей байланыс бар – Леви-Чивита байланысы. Физикада және жалпы салыстырмалылықта Леви-Чивита байланысын қолдану кең таралған, бұл бұрылыс жоқ координаттық жүйелерде (холономдық координаттар деп аталады) жұмыс істеуді білдіреді. Мысалы, Евклид кеңістіктерінде Кристофель белгілері жергілікті координаттық базалардың нүктеден нүктеге қалай өзгеретінін сипаттайды. Негізгі n өлшемді көптүрліліктің кез келген нүктесінде, сол нүктедегі кез келген жергілікті координаттық жүйе үшін Кристофель белгілері Γ<sup>i</sup><sub>jk</sub> түрінде белгіленеді, мұнда i, j, k = 1, 2, ..., n. Бұл n × n × n массивінің әрбір мүшесі нақты сан болып табылады. Көптүрліліктегі сызықтық координаттық түрлендірулер кезінде Кристофель белгілері тензор компоненттері сияқты түрленеді, бірақ жалпы координаттық түрлендірулер (диффеоморфизмдер) кезінде олар солай болмайды. Кристофель белгілерінің көптеген алгебралық қасиеттері олардың аффиндік байланысқа қатынасынан туындайды; тек бірнешеуі ғана құрылымдық топтың ортогональды топ O(m, n) (немесе жалпы салыстырмалылық үшін Лоренц тобы O(3, 1)) екендігінен туындайды. Кристофель белгілері практикалық есептеулерді орындау үшін қолданылады. Мысалы, Риман қисықтық тензоры Кристофель белгілері мен олардың бірінші жартылай туындылары арқылы толығымен өрнектелуі мүмкін. Жалпы салыстырмалылықта байланыс гравитациялық күш өрісінің рөлін атқарады, ал сәйкес гравитациялық потенциал метрикалық тензор болып табылады. Координаттық жүйе мен метрикалық тензор белгілі бір симметрияны бөліскенде, Γ<sup>i</sup><sub>jk</sub>-нің көпшілігі нөлге тең болады. Кристофель белгілері Элвин Бруно Кристофельдің (1829–1900) құрметіне аталған.

Ескерту

Төменде берілген анықтамалар Римандық және псевдо-Римандық көптүрліліктер үшін де жарамды, мысалы, жалпы салыстырмалылық теориясындағыдай, жоғары және төменгі индекстер (контравариантты және ковариантты индекстер) арасында нақты айырма жасалады. Егер басқаша көрсетілмесе, формулалар екі белгілік конвенциясына да қатысты. Осы мақалада Эйнштейннің жиынтық конвенциясы қолданылады, ал векторлар қалың шрифтпен белгіленеді. Леви-Чивита байланысының (немесе псевдо-Римандық байланыстың) байланыс коэффициенттері координаттық базисте көрсетілгенде Кристоффель символдары деп аталады.

Жалпы анықтама

Кристофель символдары екі түрде келеді: бірінші түр және екінші түр. Екінші түрдің анықтамасы негізгірек болғандықтан, ол бірінші кезекте ұсынылады.

Жалпы салыстырмалылық теориясы

Кристоффель символдары Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясында жиі қолданылады, онда кеңістік-уақыт Леви-Чивита байланысы бар қисық 4 өлшемді Лоренц манифольдімен бейнеленеді. Материяның қатысуында кеңістік-уақыттың геометриясын анықтайтын Эйнштейн өрісі теңдеулері Риччи тензорын қамтиды, сондықтан Кристоффель символдарының есептелуі маңызды. Геометрия анықталғаннан кейін, бөлшектер мен жарық сәулелерінің жолдары Кристоффель символдары тікелей пайда болатын геодезиялық теңдеулерді шешу арқылы есептеледі.

Жер бетіндегі координаттар бойынша

Жер бетіндегі нүктелерді сипаттайтын сфералық координаттар жүйесі (Жерді идеал сфера ретінде жуықтап қарастырады). X нүктесі үшін R – Жер ядросына дейінгі қашықтық (әдетте Жер радиусына шамалас). θ және φ – ендік және бойлық. Оң θ – солтүстік жарты шар. Туындыларды жеңілдету үшін бұрыштар радиандармен беріледі (мұнда d sin(x)/dx = cos(x), ал градус мәндері 360 / 2π қосымша көбейткішін енгізеді). Кез келген нүктеде жанама бағыттар – (жоғары), (солтүстік) және (шығыс). Сондай-ақ 1, 2, 3 индекстерін де пайдалануға болады. Қатысты метрикалық тензорда тек диагональдық элементтер ғана бар (вектор ұзындығының квадраты). Бұл координаттар жүйесінің артықшылығы, және ол әдетте дұрыс емес.