外观
Chapter 2 习题
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2025-09-03
警告
这是上一章内容结束后的习题. 第一章的习题因为太少而且并不重要所以没有放上来.
习题 1
证明 Γ[μν]λ (即联络的反称部分) 是一个张量.
从定义出发,考虑联络的变换规则是
Γαβ′σ=Γμνλ∂x′α∂xμ∂x′β∂xν∂xλ∂x′σ+∂x′α∂x′β∂2xγ∂xγ∂x′σ
(写到这里发现之前笔记里面的那个公式写得稍微有些问题,某几个上下标写错了,不过无伤大雅 (毕竟是可以换的))
而 Γ[μν]λ 的定义是
Γ[μν]λ=21(Γμνλ−Γνμλ)
这个在做坐标变换的时候,后面一项
∂x′α∂x′β∂2xγ∂xγ∂x′σ
刚好会被减去,所以坐标变换是
Γ[αβ]′σ=Γ[μν]λ∂x′α∂xμ∂x′β∂xν∂xλ∂x′σ
这正是 (1,2) 阶张量的变换公式,得证联络的反称部分是张量.
习题 2
Φ 是标量,证明:Aμ=∂xμ∂Φ 是协变矢量.
判断的依据是 Aμ 是否满足协变矢量的坐标变换规律. 坐标变换后,有
Aα′=∂x′α∂Φ′=∂xμ∂Φ∂x′α∂xμ=Aμ∂x′α∂xμ
这正是协变矢量的变换规律,得证.
习题 3
Tμν 是对称张量,Aμν 是反称张量,证明 TμνAμν=0.
换傀标名称,我们知道肯定有 TμνAμν=TνμAνμ,但是又由条件,
Tμν=Tνμ,Aμν=−Aνμ
所以应该是 TμνAμν=−TνμAνμ. 这就有 TμνAμν=−TμνAμν,也就是
TμνAμν=0
证毕.
习题 4
用 Γνρμ 在坐标变换下的变换规律直接证明:Aμ;ρ=Aμ,ρ+ΓνρμAν 是一个二阶混合张量.
换坐标系之后,A′γ;σ=A′γ,σ+Γλσ′γA′λ,而变换公式表明:
A′γ,σΓλσ′γA′λ=∂x′σ∂A′γ=∂xρ∂(Aμ∂xμ∂x′γ)∂x′σ∂xρ=Aμ,ρ∂xμ∂x′γ∂x′σ∂xρ+Aμ∂xρ∂xμ∂2x′γ∂x′σ∂xρ=Γνρμ∂xμ∂x′γ∂x′λ∂xν∂x′σ∂xρ+∂x′λ∂x′σ∂2xα∂xα∂x′γ=Aν∂xν∂x′λ
于是
A′γ;σ=(Aμ,ρ+ΓνρμAν)∂xμ∂x′γ∂x′σ∂xρ+Aμ∂xρ∂xμ∂2x′γ∂x′σ∂xρ+Aν∂xν∂x′λ∂x′λ∂x′σ∂2xα∂xα∂x′γ=(Aμ,ρ+ΓνρμAν)∂xμ∂x′γ∂x′σ∂xρ+Aμ∂xρ∂xμ∂2x′γ∂x′σ∂xρ+Aμ∂xμ∂x′λ∂x′λ∂x′σ∂2xα∂xα∂x′γ
现在只要证明:
∂xρ∂xμ∂2x′γ∂x′σ∂xρ+∂xμ∂x′λ∂x′λ∂x′σ∂2xα∂xα∂x′γ=0
对于这种两项都没有很明显的「负号」的情况,想到的方法似乎只能是凑一个全微分. 稍微化简一些因为链式法则而展开的部分:
∂x′σ∂xμ∂2x′γ+∂xμ∂x′σ∂2xα∂xα∂x′γ∂xμ∂(∂xα∂x′γ∂x′σ∂xα)=0=0
很明显,括号内的东西是 1,这就证明了 Aμ;ρ 满足如下变换规律:
A′γ;σ=Aμ;ρ∂xμ∂x′γ∂x′σ∂xρ
是二阶混合张量.
习题 5
已知 ds2=gμνdxμdxν=−dτ2,从变分原理
δ∫ABds=0orδ∫AB(dλdτ)2dλ=0
求出短程线方程.
这个在 Chapter 2 - 短程线 这里讲过了罢.
习题 6
试证:
Γαμμ=21gμνgμν,α=∂xα∂(ln−g)
在 Chapter 2 - 三个派生的重要张量 这里写过.
习题 7
设 {t,x} 是二维 Minkowski 空间的 Lorentz 坐标系,试证由下式定义的 {t′,x′} 也是 Lorentz 系:
⎩⎨⎧t′=tcoshλ+xsinhλx′=tsinhλ+xcoshλ,λ=const.
注:Lorentz 坐标系指二维 Minkowski 度规在其中能写成
(−1001)
的坐标系.
度规的变换法则:
gμν′=gαβ∂x′μ∂xα∂x′ν∂xβ
因为是二维,直接计算分量好了:
g11′g12′g21′g22′=g11∂t′∂t∂t′∂t+g12∂t′∂t∂t′∂x+g21∂t′∂x∂t′∂t+g22∂t′∂x∂t′∂x=−cosh2λ+0+0+sinh2λ=−1=g11∂t′∂t∂x′∂t+g12∂t′∂t∂x′∂x+g21∂t′∂x∂x′∂t+g22∂t′∂x∂x′∂x=coshλsinhλ+0+0−coshλsinhλ=0=g11∂x′∂t∂t′∂t+g12∂x′∂t∂t′∂x+g21∂x′∂x∂t′∂t+g22∂x′∂x∂t′∂x=coshλsinhλ+0+0−coshλsinhλ=0=g11∂x′∂t∂x′∂t+g12∂x′∂t∂x′∂x+g21∂x′∂x∂x′∂t+g22∂x′∂x∂x′∂x=cosh2λ+0+0−sinh2λ=1
得证.
习题 8
已知 gμν;λ=0,求证 gμν;λ=0.
已知恒等式 gμαgαν=δμν,对这个式子两边求协变微商:
gμα;λ⋅gαν+gμαgαν;λ=0
但是我们已经知道 gαν;λ=0,所以 gμα;λ⋅gαν=0. 再两边同时乘以 gνβ:
gμα;λ⋅δβα=gμβ;λ=0
证毕.
习题 9
已知 Aμ;ν=Aμ,ν−ΓμνλAλ,利用标量微分关系 U;μ=U,μ 以及 Leibniz 法则证明:
Bμ;ν=Bμ,ν+ΓλνμBλ
(说起来这个不是也推导过吗… 算了)
构造一个标量 AμBμ,对这个标量求协变微商:
(AμBμ);λAμ;λBμ+AμBμ;λ(Aμ,λ−ΓμλνAν)Bμ+AμBμ;λAμBμ;λAμBμ;λBμ;λ=(AμBμ),λ=Aμ,λBμ+AμBμ,λ=Aμ,λBμ+AμBμ,λ=AμBμ,λ+ΓμλνAνBμ=AμBμ,λ+ΓνλμAμBν=Bμ,λ+ΓνλμBν
证毕.
习题 10
一个嵌入三维 Euclidean 空间的普通球面空间,选用球极坐标系,则其线元为
ds2=a2dθ2+a2sin2θdφ2
(1) 求 gμν.
(2) 求全部的 Christoffel 联络 Γαβμ.
(3) 求全部 Rνρσμ.
(4) 求全部 Rμν.
(5) 求 R.
(6) 写出该度规表示的球面空间的测地线方程.
(1) 我们知道,ds2=gμνdxμdxν,完整写出就是
ds2=g11dθdθ+g12dθdφ+g21dφdθ+g22dφdφ
对比 ds2 的表达式,得到:
g11=a2,g12=g21=0,g22=a2sin2θ
逆变度规张量是协变度规张量的逆矩阵,所以
(gμν)=(1/a2001/a2sin2θ)
(2) 直接用 Christoffel 联络的定义:
Γαβμ=21gμλ(gαλ,β+gβλ,α−gαβ,λ)
本来想一个一个算,后来发现,只有 g22=a2sin2θ 可以求微商,其他分量全部是 0,所以可以简化一些计算.
Γ111Γ121Γ122Γ221Γ222=Γ112=0=Γ211=21g12g22,1=0=Γ212=21g22g22,1=21⋅a2sin2θ1⋅2a2sinθcosθ=cotθ=−21g11g22,1=−21⋅a21⋅2a2sinθcosθ=−sinθcosθ=−21g21g22,1+21g22g22,2=0
只有三个分量不是 0.
(这个答案我也没验证过,不过在试图用 Mathematica 验证时翻到了一个小玩意:RGTC Mathematica description,看起来很有意思,先在这里留个档)
(3) 天啊他居然还要我算曲率张量… 二维空间,曲率张量只有 16 个分量,至少还有手动计算的动力. 接下来尝试计算.
由定义,曲率张量
Rλμνρ=Γλν,μρ−Γλμ,νρ+ΓσμρΓλνσ−ΓσνρΓλμσ
直接开始算 (ようこそ,\Gamma
の世界):
R1111R1112R2111R2112R1211R1212R1121R1122R2211R2212R1221R1222R2121R2122R2221R2222=Γ11,11−Γ11,11+(Γ111Γ111+Γ211Γ112)−(Γ111Γ111+Γ211Γ112)=0=Γ11,12−Γ11,12+(Γ112Γ111+Γ212Γ112)−(Γ112Γ111+Γ212Γ112)=0=Γ21,11−Γ21,11+(Γ111Γ211+Γ211Γ212)−(Γ111Γ211+Γ211Γ212)=0=Γ21,12−Γ21,12+(Γ112Γ211+Γ212Γ212)−(Γ112Γ211+Γ212Γ212)=0=Γ11,21−Γ12,11+(Γ121Γ111+Γ221Γ112)−(Γ111Γ121+Γ211Γ122)=0=Γ11,22−Γ12,12+(Γ122Γ111+Γ222Γ112)−(Γ112Γ121+Γ212Γ122)=1=Γ12,11−Γ11,21+(Γ111Γ121+Γ211Γ122)−(Γ121Γ111+Γ221Γ112)=0=Γ12,12−Γ11,22+(Γ112Γ121+Γ212Γ122)−(Γ122Γ111+Γ222Γ112)=−1=Γ21,21−Γ22,11+(Γ121Γ211+Γ221Γ212)−(Γ111Γ221+Γ211Γ222)=−sin2θ=Γ21,22−Γ22,12+(Γ122Γ211+Γ222Γ212)−(Γ112Γ221+Γ212Γ222)=0=Γ12,21−Γ12,21+(Γ121Γ121+Γ221Γ122)−(Γ121Γ121+Γ221Γ122)=0=Γ12,22−Γ12,22+(Γ122Γ121+Γ222Γ122)−(Γ122Γ121+Γ222Γ122)=0=Γ22,11−Γ21,21+(Γ111Γ221+Γ211Γ222)−(Γ121Γ211+Γ221Γ212)=sin2θ=Γ22,12−Γ21,22+(Γ112Γ222+Γ212Γ222)−(Γ122Γ211+Γ222Γ212)=0=Γ22,21−Γ22,21+(Γ121Γ221+Γ221Γ222)−(Γ121Γ221+Γ221Γ222)=0=Γ22,22−Γ22,22+(Γ122Γ221+Γ222Γ222)−(Γ122Γ221+Γ222Γ222)=0
注意
强行算完发现没必要这样… 因为我们之前引入过 Rρλμν,并 探究过它的性质,所以这里也是一样,根据讨论,我们知道四个指标只有两个不同值时,独立分量个数为
N(n=2)=2!(n−2)!n!=1
也就是只有一个独立的 Rρλμν=Rμνμν=R1212. 有
R1212=−R2112=−R1221=R2121
这四个不为零的分量. 通过计算一个例子:
R2121=Γ22,11−Γ21,21+(Γ111Γ221+Γ211Γ222)−(Γ121Γ211+Γ221Γ212)=sin2θ
降逆变指标得
R1212=g11R2121+g21R2121=a2sin2θ
升指标,可以得到其他的几个非零分量:
R1122R2211R1212=g12R2112+g22R2112=−1=g11R1221+g21R1221=−sin2θ=g12R2121+g22R2121=1
教训:在计算分量极多的张量时,应该通过各种手段排除掉为零的分量.
(4) 计算 Ricci 张量,缩并曲率张量的逆变指标和第二协变指标即可,一共是 4 个分量 (同时注意,Ricci 张量是对称张量).
R11R12R22=R1111+R1212=1=R21=R1121+R1222=0=R2121+R2222=sin2θ
警告
我发现很多地方定义的 Ricci 张量是缩并逆变和第三个协变指标,这会差一个负号. 目前看来两者并没有什么很大的区别,又是一个小的符号法则问题.
(5) 曲率标量,缩并 Ricci 张量 (升一个指标,再求和) 即可,
R=gμνRμν=g11R11+g22R22=a21+a2sin2θ1⋅sin2θ=a22
这里也是,差一个负号.
(6) 测地线方程,定义式是
ds2d2xμ+Γαβμdsdxαdsdxβ=0
(参量用的是曲线长度) 把之前算的东西放进去,
ds2d2θ−sinθcosθ(dsdφ)2ds2d2φ+2cotθ⋅dsdθdsdφ=0=0
习题 11
证明 Bianchi 恒等式:
Rλμν;σρ+Rλνσ;μρ+Rλσμ;νρ=0
以及
(Rμν−21gμνR);ν=0
就在笔记里面写了:Chapter 2 - Bianchi 恒等式.
在这里放一些参考文献:
- 《广义相对论基础》第二章习题 | 超理论坛 (这个楼主 triint 算是我的网友)
- 赵峥、刘文彪《广义相对论基础》第二版习题(2-4 章)| 知乎
更新日志
2025/9/3 15:08
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