外代数

外代数(英语:Exterior algebra)也称为格拉斯曼代数(Grassmann algebra),以纪念数学家赫尔曼·格拉斯曼。

左图:由向量的有序集所定义出的定向
右图:反定向,对应到加上负号的外积
实外代数中,n 阶元素的几何诠释:n = 0(具有正负号的点),1(具有指向的线段,即向量),2(具有定向的平面元),3(具有定向的体积)。n个向量的外积可以图像化为n维几何物体(例如n维平行六面体, n维椭球);其大小为超体积(hypervolume),其定向的定义由(n − 1)维边界以及物体内部在哪一侧来决定。[1][2]

数学上,向量空间的外代数是一个特定有单位的结合代数,其包含了为其中一个子空间。它记为或. 而它的乘法,称为楔积或外积,记为. 楔积是结合的和双线性的;其基本性质是它在上是交错的,也就是:

,对于所有向量

这表示

,对于所有向量,以及
,当 线性相关时。

值得注意的是,以上三性质只对中向量成立,不是对代数中所有向量成立。

外代数事实上是“最一般的”满足这些属性的代数。这意味着所有在外代数中成立的方程只从上述属性就可以得出。的这个一般性形式上可以用一个特定的泛性质表示,请参看下文。

形式为的元素,其中在中,称为-向量。所有-向量生成的的子空间称为的-阶外幂,记为。外代数可以写作每个阶幂的直和:

该外积有一个重要性质,就是-向量和-向量的积是一个-向量。这样外代数成为一个分次代数,其中分级由给出。这些-向量有几何上的解释:2-向量代表以和为边的带方向的平行四边形,而3-向量代表带方向的平行六面体,其边为, , 和。

外幂的主要应用在于微分几何,其中他们用来定义微分形式。因而,微分形式有一个自然的楔积。所有这些概念由格拉斯曼提出。

定义及运算律

外代数有很多种等价的定义,下面的定义是最简洁的一个。

定义: 设  是域  上的一个向量空间,让 则定义

 

令  为  的张量代数的理想(即双边理想),该理想是由所有形如 的张量生成的(其中 任意),则将 上的外代数 定义为商代数 ,即

 

并且把 的等价类[3]  记为 ,其中  。设  称

 

为 的 -阶外幂( th exterior power of  ),称 中的元素为 -向量( -multivector)。

注:

  1.  ,当且仅当 时才有 ,因此,可以把 等同于 ,并且把 记为 ;基于类似的原因,可以把 等同于 ,而且把 记为 。这一点是前面所讲的能够把 记为  的特例和前提。
  2. 当 时, -向量并不仅限于形如 的元素,例如, 也是2-向量,其中 .
  3. 理想 中的元素并不仅限于形如 的张量,例如,
    1.  , 必定有  和 .
    2.  , 由于 和 以及 ,显然有 ,这就有一个推论:所有的二阶对称张量都在理想 中。
    3. 由于上面的两个结论, ,我们有 ,这是因为等式右边的每一项都在 中。对张量 的阶数作数学归纳法,则可以证明: ,  ,总有 。
  4. 设 ,则 , 作为等价类含有唯一的一个完全反对称的代表元 ,可以把这个 -阶的完全反对称张量等同于 , 详见后面的“反对称算子和外幂”一节。在有些文献中, -向量就是以这种方式定义的。

运算律 将上面的注中的内容用 写出,则分别给出

(1)  ,  

证明如下: 作为等价类,我们从 中任意挑选一个代表元 ,则 而且 。根据商代数的定义,

 

类似地,可以证明 

(2) 根据注3.1中的内容,显然有 .

(3) 根据注3.2中的内容,对任意 成立着

 

注:即使 的特征为2,这个公式也是对的,只不过此时有 而已。

(4) 根据商代数的定义以及张量代数的性质,运算 满足结合律和分配律:

 
 
 

其中 都是任意的。

以前两条性质为例,其证明如下:设张量 分别是 中的代表元,即 ,  ,  , 则

 
 

(5) 根据上面的(3)和(4),用数学归纳法可以证明: 

 

证明从略。

基底和维数

若 的维数是 而 是 的基,则集合

 

是 阶外幂 的一个基。理由如下:给定任何如下形式的楔积

 

则每个向量 可以记为基向量 的一个线性组合;利用楔积的双线性性质,这可以扩张为那些基向量的楔积的线性组合。任何出现同样基向量两次的楔积为0;任何基向量出现的次序不正确的可以重新排序,在交换任何两个基向量的时候变换符号。一般来讲,最后基 -向量前的系数可以用通过积 来描述 的矩阵的子式来计算。

数一下基元素,我们可以看到 的维数是n 取 k。特别的有,  对于 .

外代数是一个分级代数,是如下直和

 

其维数等于二项式系数之和,也就是 .

例子: 欧氏三维空间的外代数

考虑空间 ,其基为 。一对向量

 
 

的楔积为

 

其中 是三维空间 的基底。

再加一个向量

 ,

这三个向量的楔积是

 

其中 是一维空间 的基底。

空间 是 , 而空间 是 。取所有四个子空间的直和得到一个向量空间 ,这是八维向量空间

 .

那么,给定一对8维向量 和 , 其中 如上给出,而

 ,

 和 的楔积如下(用列向量表达),

 .

容易验证8维楔积以向量 为乘法幺元。也可以验证该 代数的楔积是结合的(也是双线性的):

 

所以该代数是有单位且结合的。

叉乘的实质,赝向量与赝标量

对三维欧几里得空间 可以建立一个线性同构 如下:任取 的右手的标准正交基 , , ,规定 把 , , 分别映射为 , , ,则 的定义与右手的标准正交基如何选取无关。

不难看出,对任意向量 和 ,这个线性同构把 映射为 。这就是叉乘(向量积)的实质。例如, 中平行四边形 的面积向量可以表示为 . 经过推广之后,高维黎曼流形 中的紧的二维曲面 的面积则可以用

 

来计算(其中 是度规张量场 在 上的诱导度规   的坐标分量),由此可以看到外积和叉乘的深刻关系。

在物理学中,向量(极向量)与赝向量(轴向量)两个概念经常需要加以区分。从根本上说,向量是 中的元素,所以在空间反演变换下不会改变方向;而赝向量其实是 中的元素,故在空间反演变换下会改变方向。

类似地,借助于右手的标准正交基,可以把 中的元素 映射为“标量" 。但是,在空间反演变换下它就会原形毕露,所以称它为赝标量。真正的标量在空间反演下是不变的,而赝标量在空间反演下会改变符号。

把 2-向量 映射为向量 以及把 3-向量 映射为一个实数 的映射实际上是一个叫做霍奇对偶的线性映射。

泛性质及构造

令 为一个域 (在多数应用中,也就是实数域)上的向量空间。 是“最一般”的包含 的并有一个交替乘法在 上由单位的结合 -代数这个事实可以用如下的泛性质形式化的表达:

任给一个有单位的结合  -代数 和一个 -线性映射 使得 对于每个 属于 成立,则存在恰好一个由单位的代数同态 使得 所有 属于 成立。

要构造最一般的包含 的代数,而且其乘法是在 上交替的,很自然可以从包含 的最一般的代数开始,也就是张量代数 ,然后通过合适的商来强制交替的性质。这样我们取 中由所有形为 的元素生成的双边理想 ,其中 属于 ,并定义 为商

 

(并且使用 为 中的乘法的代号)。然后可以直接证明 包含 并且满足上述泛性质。

如果不是先定义 然后把外幂 等同为特定的子空间,我们也可以先定义空间 然后把它们合并成为一个代数 。这个方法在微分集合中常常用到,并在下节中有描述。

反对称算子和外幂

给定两个向量空间 和 ,一个从 到 的反对称算子是一个多线性映射

 

使得只要 是 中线性相关的向量,则

 .

最著名的例子是行列式值,从 到 的反对称线形算子。

映射

 

它关联 中的 个向量到他们的楔积,也就是它们相应的 -向量,这也是反对称的。事实上,这个映射是定义在 上的“最一般”的反对称算子:给定任何其它反对称算子 ,存在一个唯一的线性映射 。这个泛性质表述了空间 并且可以作为它的定义。

所有从 到基域 的反对称映射组成一个向量空间,因为两个这样的映射的和、或者这样一个映射和一个标量的乘积也是反对称的。若 是有限维的,维数 ,则该空间可以认同为 ,其中 表示 的对偶空间。特别的有,从 到 的反对称映射的空间是 取 维的。

在这个等同关系下,若基域是 或者 ,楔积有一个具体的形式:它从两个给定的反对称映射得到一个新的反对称映射。设 和 为两个反对称映射。和在多线性映射的张量积的情况一样,楔积的变量数是每个映射的变量数之和。它定义如下:

 

其中多线性映射的交替 定义为其变量的所有排列的带符号平均:

 

注意: 有一些书中楔积定义为

 

指标记法

在主要由物理学家使用的指标记法中有:

 

微分形式

令 为一个微分流形。一个微分k-形式 是 ( 的余切丛的 阶外幂)的一个截面。等价的有: 是 的光滑函数,对于 的每个点 给定一个 的元素。大致来讲,微分形式是余切向量的全局版本。微分形式是微分几何的重要工具,其中,它们被用于定义德拉姆上同调和亚历山大-斯潘尼尔上同调。

推广

给定一个交换环 和一个 -模 ,我们可以定义和上文一样的外代数 ,它是张量代数 适当的商。它会满足类似的泛性质。

物理应用

格拉斯曼代数在物理中有重要应用,它们被用于建模和费米子和超对称性相关的各种概念。

参看:超空间,超代数,超群

注释

  1. ^ R. Penrose. The Road to Reality. Vintage books. 2007. ISBN 0-679-77631-1. 
  2. ^ J.A. Wheeler, C. Misner, K.S. Thorne. Gravitation. W.H. Freeman & Co. 1973: 83. ISBN 0-7167-0344-0. 
  3. ^ 由下述等价关系   所形成的等价类:
     

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