Rys. 1. Układy współrzędnych w przestrzeni 2-wymiarowej: krzywoliniowy (u góry), afiniczny (z prawej), kartezjański (z lewej).
Współrzędne krzywoliniowe mogą być określone w przestrzeni euklidesowej o dowolnym, skończonym wymiarze Tworzą one rodzin linii (w ogólnym przypadku linii krzywych) w postaci regularnych siatek przestrzennych (rys. 1).
Aby wprowadzić jakieś współrzędne krzywoliniowe, w danej przestrzeni euklidesowej, trzeba podać odpowiednie wzory transformacyjne opisujące sposób przejścia do tych nowych współrzędnych od starych współrzędnych kartezjańskich. Wymaga się przy tym:
(1) aby współrzędnym kartezjańskim punktów przestrzeni odpowiadały unikalne wartości współrzędnych krzywoliniowych. Dlatego wzory transformacyjne muszą być opisane funkcjami wzajemnie jednoznacznymi. Ta bijekcja nie zawsze jest możliwa w całej przestrzeni
(2) aby funkcje transformujące były różniczkowalne dostateczną liczbę razy dzięki czemu staje się możliwe zdefiniowanie bogatszej struktury, np. wprowadzenie lokalnych baz wektorów w każdym punkcie dziedziny, co pozwala na definiowanie pól wektorowych czy też tensorowych i wykonywanie na nich operacji różniczkowania i całkowania.
Nazwa „współrzędne krzywoliniowe” została wprowadzona przez francuskiego matematyka Gabriela Lamé. Formalizm współrzędnych krzywoliniowych został uogólniony na przestrzenie nieeuklidesowe, m.in. przez Riemanna.
W tym artykule zagadnienie współrzędnych krzywoliniowych omówiono na przykładzie przestrzeni 3-wymiarowej, która jest dobrym modelem przestrzeni fizycznej (podobnie omawia to np. [1]). Zaletą takiego podejścia jest to, że podane w nim pojęcia i metody obliczeniowe w sposób naturalny dają się uogólnić na przestrzenie euklidesowe dowolnego wymiaru. Nieznaczne zaś rozszerzenie formalizmu poprzez dopuszczenie dowolnej postaci tensora metrycznego pozwala łatwo przejść do opisu geometrii nieeuklidesowych.
w teoriach pól fizycznych (skalarnych, wektorowych i tensorowych); pojawiające się w analizie tych pól wielkości geometryczne, takie jak gradient, dywergencja, rotacja, laplasjan itp. wyraża się we współrzędnych krzywoliniowych, wychodząc od definicji tych wielkości we współrzędnych kartezjańskich i po wykorzystaniu wzorów transformacyjnych. Otrzymanym wyrażeniom nadaje się postać uniwersalną, obowiązującą w dowolnym układzie krzywoliniowym;
w mechanice klasycznej i w mechanice kwantowej przy rozwiązywaniu zagadnień ruchu ciał poddanych działaniu sił centralnych użycie układu krzywoliniowego upraszcza opis ruchu (np. opis ruchu planet wokół gwiazdy centralnej, czy ruchu elektronu wokół jądra atomu – model atomu Bohra w układzie sferycznym);
w ogólnej teorii względności – użycie współrzędnych krzywoliniowych jest niezbędne, gdyż efektem działania pól grawitacyjnych jest zakrzywienie czasoprzestrzeni. Nie da się ściśle opisać ani pól grawitacyjnych, ani trajektorii ciał poruszających się w tych polach, za pomocą współrzędnych prostokątnych; np. ciała w polach grawitacyjnych poruszają się po liniach geodezyjnych, które nie są prostymi euklidesowymi.
Współrzędne krzywoliniowe w przestrzeni euklidesowej 3D
(1) Niech w trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej z wprowadzonym w niej układem kartezjańskim będzie dany punkt opisany jego wektorem wodzącym zależnym od trzech parametrów tj.
gdzie: są wersorami bazy przyjętego układu współrzędnych kartezjańskich oraz
(1)
przy czym funkcje są klasy tj. mają ciągłe pierwsze pochodne cząstkowe.
(2) Definicja: Parametry nazywamy współrzędnymi krzywoliniowymi punktu jeżeli istnieje wzajemnie jednoznaczna odpowiedniość(1) pomiędzy nimi, a współrzędnymi kartezjańskimi punktu przy czym wymaga się, by poniższy jakobian był różny od zera dla punktów gdzie – zbiór, na jakim chce się wprowadzić współrzędne krzywoliniowe, tj.[2]
Warunek niezerowania się jakobianu oznacza, że w każdym punkcie rozważanego obszaru będzie można wprowadzić 3 osie lokalnego układu współrzędnych, styczne do linii współrzędnych i parami nierównoległe (por. rys. 2).
(3) Warunek równoważny: Jakobian transformacji odwrotnej o składowych musi być różny od zera dla punktów gdzie – obraz zbioru w transformacji dokonującej przejścia od współrzędnych krzywoliniowych do kartezjańskich.
(4) Definicja: Mówi się, że funkcje wprowadzają w przestrzeni krzywoliniowy układ współrzędnych.
a) Ustalając wartości dwu nowych współrzędnych, a zmieniając wartość pozostałej, otrzymuje się krzywą w przestrzeni opisaną parametrycznie za pomocą zmieniającej się wartości współrzędnej, np.
przedstawia krzywą współrzędnych przy ustalonych wartościach współrzędnych oraz
b) Zmieniając wartości współrzędnych otrzymuje się różne linie siatki współrzędnej
c) Postępując podobnie dla pozostałych współrzędnych, uzyskuje się wszystkie linie siatki współrzędnych krzywoliniowych.
d) Przez każdy punkt przechodzą trzy przecinające się wzajemnie linie współrzędnych
W punktach, gdzie jakobian jest różny od zera można wprowadzić lokalne układy wektorów bazowych, styczne do linii współrzędnych (por. rys. 4).
Współrzędne kontrawariantne i kowariantne
Rys. 4. Wektor v rozłożony w dwóch bazach: (1) baza wersorów (żółta, z lewej) – stycznych do krzywych współrzędnych (czarne) (2) kobaza wersorów (niebieska, z prawej) – prostopadłych do powierzchni współrzędnych (szare). Wersory bazy i kobazy nie są do siebie równoległe, chyba że współrzędne (q1, q2, q3) są ortogonalne.
Mając dany układ współrzędnych krzywoliniowych, można określić dla niego, w każdym punkcie przestrzeni, lokalne wersory osi, przy czym można to zrobić na dwa różne sposoby:
wersory bazy są styczne do linii współrzędnych, przechodzących przez dany punkt. Współrzędne wektora reprezentowanego w tej bazie nazywa się jego współrzędnymi kontrawariantnymi (przeciwzmienniczymi). Tę bazę nazywa się także bazą wektorów kontrawariantnych;
wersory kobazy zwanej też bazą dualną, są normalne do płaszczyzn współrzędnych przechodzących przez dany punkt. Współrzędne wektora reprezentowanego w kobazie nazywa się jego współrzędnymi kowariantnymi (współzmienniczymi). Tę bazę nazywa się również bazą wektorów kowariantnych;
dowolny wektor w można zapisać dwojako
W układzie współrzędnych kartezjańskich baza i kobaza są identyczne:
Aby odróżnić współrzędne kontrawariantne od kowariantnych stosuje się umowę:
współrzędnym kontrawariantnym (liczonym względem bazy) przypisuje się wskaźniki górne,
współrzędnym kowariantnym (liczonym względem kobazy) przypisuje się wskaźniki dolne.
Własności bazy i kobazy
(1) Wektory bazy i kobazy dla dowolnego układu współrzędnych krzywoliniowych, pozwala obliczać uniwersalna procedura (patrz niżej).
(2) Współrzędne nazywa się ortogonalnymi, jeżeli linie współrzędnych przecinają się pod kątami prostymi. Np. współrzędne sferyczne, walcowe, biegunowe są ortogonalne.
(3) Wektory bazy (i kobazy) współrzędnych ortogonalnych są ortogonalne. W takim przypadku wektory bazy i kobazy są parami równoległe do siebie.
(4) Wybór bazy pozwala wykonywać w niej obliczenia, np.
dowolne pole wektorowe może być rozłożone na składowe przez rzutowanie:
na wektory bazy – wtedy pole to ma współrzędne kontrawariantne – lub
na wektory kobazy – wtedy pole ma współrzędne kowariantne –
współrzędne pola są zazwyczaj funkcjami różniczkowalnymi (zależnymi od punktów przestrzeni) – dzięki temu możliwe jest wykonywanie obliczeń, np. obliczanie zmian pola w zadanych warunkach, korzystając z równań pola (np. równań Maxwella, równań Einsteina).
Baza wektorów kontrawariantnych
Obliczanie bazy wektorów kontrawariantnych
(1) W każdym nieosobliwym punkcie rozpatrywanego obszaru można zdefiniować trzy wektory bazowe styczne odpowiednio do krzywych przy ustalonych wartościach dwóch pozostałych nowych współrzędnych
gdzie:
– wektory ortonormalne układu współrzędnych kartezjańskich.
(2) Z powyższych wzorów widać, że:
Baza układu kartezjańskiego transformuje się w bazę układu krzywoliniowego za pomocą macierzy transformacji
Elementami tej macierzy są pochodne współrzędnych kartezjańskich względem współrzędnych krzywoliniowych, obliczone w danym punkcie obszaru Macierze transformacji obliczone w różnych punktach przestrzeni będą mieć więc na ogół różne elementy.
Macierz transformacji ma istotne znaczenie w określaniu własności transformacyjnych obiektów geometrycznych (wektorów, tensorów), określonych w danym punkcie obszaru
(3) Niezerowanie się jakobianu gwarantuje, że wektory są nierównoległe do siebie, a więc tworzą bazę. W skrócie wektory te można zapisać jednym wyrażeniem
gdzie sumuje się po powtarzającym się wskaźniku przyjmując
(4) Nieznikanie jakobianu w każdym punkcie gwarantuje też, że istnieje wzór odwrotny
(3)
gdzie sumuje się po powtarzającym się wskaźniku przyjmując
(5) Wzory (2) i (3) realizują wzajemne transformacje pomiędzy bazami: i
(6) Macierz jest odwrotna do macierzy co oznacza, że słuszna jest zależność
– sumujemy tu po wskaźniku
(7) Podobnie, słuszna jest zależność odwrotna
– sumujemy tu po wskaźniku
Uwaga: Wektory bazy są styczne odpowiednio do linii współrzędnych – nie są jednak ortogonalne jeśli linie współrzędnych w danym punkcie nie przecinają się pod kątami prostymi. Ponadto wektory te nie są unormowane do co więcej – ich długość może zmieniać się ze zmianą położenia w przestrzeni. Spośród wielu baz wygodne są bazy ortogonalne, gdyż łatwiej wykonywać w nich obliczenia.
Normowanie wektorów bazy
Wektory bazy łatwo unormować do po prostu dzieli się te wektory przez ich długość, którą oblicza się jako pierwiastek z iloczynu skalarnego wektora przez siebie:
Powyższe współczynniki noszą nazwę współczynników Lamego.
Unormowane wektory bazy (tzn. jej wersory) mają postać:
Przykład: Baza ortonormalna wektorów kontrawariantnych
Współrzędne sferyczne
(1) Współrzędne kartezjańskie są wyrażone przez współrzędne sferyczne wzorami
(2) Obliczamy wektory bazowe:
(3) Wektory te są ortogonalne, gdyż zerują się ich iloczyny skalarne
co łatwo policzyć, mnożąc wektory przez siebie.
(4) Obliczamy długości wektorów czyli współczynniki Lamego
(5) Normujemy wektory do dzieląc je przez ich długości
Powyższe wektory tworzą bazę ortonormalną układu kontrawariantnych współrzędnych sferycznych. Widać, że współrzędne tych wektorów zależą tylko od współrzędnych punktu w którym wektory te tworzą bazę – styczną do linii współrzędnych sferycznych. Oznacza to, że dwie bazy wyznaczone dla dwu różnych punktów o współrzędnych i są identyczne.
(6) Skrętność układu wektorów bazy
Można sprawdzić, że mnożąc wektorowo wektor przez wektor otrzyma się wektor tzn.
co oznacza, że wektory te ustawione w kolejności tworzą bazę prawoskrętną.
Baza wektorów kowariantnych
Powierzchnie współrzędnych
a) Ustalając jedną z nowych współrzędnych, a zmieniając dwie pozostałe, otrzymuje się powierzchnię w przestrzeni opisaną parametrycznie za pomocą zmieniających się współrzędnych, np.
przedstawia powierzchnię współrzędnych przy ustalonej wartości współrzędnej
b) Zmieniając wartość współrzędnej otrzymuje się różne powierzchnie współrzędnych
c) Postępując podobnie dla pozostałych współrzędnych, uzyskuje się wszystkie powierzchnie współrzędnych krzywoliniowych.
d) Przez każdy punkt przechodzą trzy przecinające się wzajemnie powierzchnie współrzędnych
Obliczanie bazy wektorów kowariantnych
W każdym punkcie przestrzeni można zdefiniować trzy wektory kobazowe, prostopadłe do kolejnych powierzchni o ustalonej wartości jednej z nowych współrzędnych; wektory te oblicza się jako gradienty nowych współrzędnych
gdzie:
– wektory ortonormalne układu współrzędnych kartezjańskich.
Uwaga 1: Wektory kobazy można formalnie otrzymać z wektorów bazy przez zamianę licznika z mianownikiem we wzorach, np. z otrzyma się
Uwaga 2: Z powyższej własności wynika, że długości wektorów bazy i kobazy są liczbami wzajemnie odwrotnymi. Innymi słowy: współczynniki Lamego dla wektorów bazy są odwrotnościami współczynników dla wektorów kobazy
Powyższe współczynniki naszą nazwę współczynników Lamego dla wektorów kobazy.
Uwaga 3: Wektory kobazy są prostopadłe do powierzchni współrzędnych – wektory te nie są jednak w ogólności ortogonalne, jeśli powierzchnie współrzędnych w danym punkcie nie przecinają się pod kątami prostymi. Ponadto wektory te nie są unormowane do co więcej – ich długość może zmieniać się ze zmianą położenia w przestrzeni.
Przykład: Ortonormalna baza wektorów kowariantnych
Współrzędne sferyczne
(1) Współrzędne sferyczne są wyrażone przez współrzędne kartezjańskie
(2) Obliczamy wektory kobazy:
(3) Wektory te są ortogonalne, gdyż zerują się ich iloczyny skalarne
co łatwo policzyć.
(4) Obliczamy długości wektorów czyli współczynniki Lamego
Porównując współczynniki Lamego dla bazy ze współczynnikami dla kobazy, widać, że są one parami, liczbami wzajemnie odwrotnymi, tj.
(5) Normujemy wektory do dzieląc je przez ich długości
Powyższe wektory tworzą kobazę ortonormalną układu współrzędnych sferycznych. Widać, że współrzędne tych wektorów zależą tylko od współrzędnych punktu w którym te wektory obliczono.
(6) Porównując wektory kobazy ortonormalnej z wektorami bazy ortonormalnej widać, że są one parami identyczne. Oznacza to, że wektory nieunormowane oraz są parami do siebie równoległe.
Jest to przejawem ogólnej własności: wektory bazy i kobazy dla współrzędnych krzywoliniowych ortogonalnych są parami równoległe.
Tensor metryczny
Niezmiennik infinitezymalnego przemieszczenia
Wyrażając w bazie układu współrzędnych wektor infinitezymalnego przemieszczenia (tj. otrzyma się wielkość skalarną
Można pokazać, że powyższa wielkość jest niezmiennikiem, co jest zgodne z tym, iż iloczyn skalarny wektorów jest wielkością geometryczną, niezależną od bazy, w której wektory się wyraża.
Iloczyny skalarne wektorów bazy mają istotne znaczenie – tworzą tensor metryczny (kowariantny).
Definicja tensora metrycznego
1) Tensorem metrycznym kowariantnym nazywa się tensor utworzony z iloczynów skalarnych wektorów bazy, tj.
2) Tensorem metrycznym kontrawariantnym nazywa się tensor utworzony z iloczynów skalarnych wektorów kobazy, tj.
3) Tensorem metrycznym mieszanym nazywa się tensor
lub
Wyrażenie tensora metrycznego przez współrzędne krzywoliniowe
Zapisując wektory w bazie kartezjańskiej przestrzeni euklidesowej, takiej że otrzyma się jawne postacie tensora metrycznego:
Ostatni wynik oznacza, że tensor metryczny mieszany jest reprezentowany przez macierz jednostkową.
Uwaga: Założenie, że iloczyny skalarne wersorów bazy mają postać jest charakterystyczne dla przestrzeni euklidesowych. Zadanie innej postaci tych fundamentalnych relacji definiuje inne możliwe geometrie (patrz dalej).
Wyznacznik tensora metrycznego
Wyznacznik tensora metrycznego kowariantnego oznacza się symbolem
Przykłady
(1) Układ kartezjański
Wektory bazy są ortonormalne – tensor metryczny ma postacie
W reprezentacji macierzowej mamy
oraz
(2) Układ sferyczny
A. Elementy tensora metrycznego kowariantnego otrzyma się, licząc iloczyny skalarne wektorów bazy (postacie wektorów bazy układu sferycznego – patrz wyżej), tj.
W reprezentacji macierzowej mamy
Wyznacznik tensora:
B. Elementy tensora metrycznego kontrawariantnego otrzyma się, licząc iloczyny skalarne wektorów kobazy (postacie wektorów kobazy układu sferycznego – patrz wyżej), tj.
itd.
W reprezentacji macierzowej otrzyma się
Wyznacznik tensora:
C. Z powyższego widać, że
Wynika stąd, że iloczyn tensorów oraz daje macierz jednostkową. Tensory kowariantny i kontrawariantny są więc reprezentowane przez macierze wzajemnie odwrotne, tj.
D. Elementy tensora metrycznego mieszanego otrzyma się, licząc iloczyny skalarne wektorów bazy i kobazy, co daje
Tensor metryczny mieszany jest więc w reprezentacji macierzowej macierzą jednostkową
Podnoszenie i opuszczanie wskaźników tensorów
Tensor metryczny pozwala łatwo podnosić i opuszczać wskaźniki wektorów i tensorów, np.
Wzory te realizują transformacje współrzędnych od kowariantnych do kontrawariantnych i odwrotnie.
i rozważmy zagadnienie obliczania pochodnej cząstkowej tego pola względem jednej ze współrzędnych przestrzennych kartezjańskich
Jeżeli pole jest wyrażone w układzie kartezjańskim, to pochodna ta jest wektorem, którego składowe są pochodnymi cząstkowymi współrzędnych pola po współrzędnych kartezjańskich, tj.
Dziewięć wielkości
tworzy tensor 2-go rzędu kontrawariantno-kowariantny, który można przedstawić w postaci macierzy
Pochodna w układzie krzywoliniowym
W obliczaniach pochodnej pola wektorowego w układzie krzywoliniowym należy uwzględnić fakt, że podczas niewielkiego przesunięcia wektora zmieniają się jego współrzędne na skutek zarówno zmian pola, jak i na skutek zmiany lokalnego układu współrzędnych (który jest „przyczepiony” w nieco innym punkcie przecięcia krzywych współrzędnych). W wyniku tego pochodna funkcji wektorowej we współrzędnych krzywoliniowych wyraża się nieco innym wzorem niż w układzie kartezjańskim.
(3) Wstawiając powyższy wynik do wzoru z punktu (1), mamy
Zmieniając nazwy indeksów, ostatecznie otrzymujemy
Wyrażenie w nawiasie nazywa się pochodną kowariantną współrzędnej wektora po współrzędnej tj.
Uwaga: Znak średnika wraz z indeksem umieszczony u dołu oznacza pochodną kowariantną po współrzędnej przestrzennej o tym indeksie.
(4) Analogiczne rozumowanie prowadzi do wyrażenia na pochodną kowariantną wektora kowariantnego
(5) Pochodne kowariantne wektorów są tensorami 2-go rzędu. W przestrzeni 3-wymiarowej mają 9 składowych. W układzie kartezjańskim symbole Christoffela zerują się – pochodne kowariantne stają się równe pochodnym cząstkowym.
(6) Wektor infinitezymalnej zmiany pola wektorowego w wyniku infinitezymalnego przemieszczenia ma współrzędne kontra- i kowariantne w postaci:
oraz
Element różniczkowy objętości
W układzie kartezjańskim element różniczkowy objętości ma postać
Po przejściu do dowolnego układu współrzędnych krzywoliniowych różniczkowy element objętości wyraża się wzorem
Macierz Jacobiego można wyrazić za pomocą elementów tensora metrycznego: kwadrat jakobianu jest równy wyznacznikowi tensora metrycznego, tj.
Stąd element objętości w dowolnym układzie współrzędnych ma postać
Przykład: Różniczkowy element objętości
W układzie współrzędnych sferycznych mamy Stąd otrzymamy:
Zasady transformacji współrzędnych obiektów geometrycznych
Transformacja różniczek współrzędnych
(1) Załóżmy, że nieznacznie zmieniamy położenie w przestrzeni z położenia do położenia Wielkości nazywa się różniczkami współrzędnych kartezjańskich.
Jeżeli wektory oraz zapisze się we współrzędnych krzywoliniowych, to otrzymamy wektory oraz gdzie – różniczki zmian współrzędnych krzywoliniowych. Różniczki te tworzą wektor infinitezymalnego przemieszczenia
(2) Związki między różniczkami oraz można znaleźć, obliczając różniczki zupełne współrzędnych wyrażonych przez współrzędne krzywoliniowe
lub w skrócie, stosując konwencję sumacyjną po powtarzającym się wskaźniku
Odwracając tę zależność, otrzyma się wzór na transformację różniczek współrzędnych kartezjańskich w różniczki współrzędnych krzywoliniowych
Oznacza to, że:
Różniczki współrzędnych kartezjańskich transformują się na różniczki współrzędnych krzywoliniowych za pomocą macierzy która jest odwrotna do macierzy transformacji wektorów bazy na wektory bazy
Wektory, które transformują się tak jak wektory infinitezymalnego przemieszczenia (lub inaczej mówiąc: jak różniczki współrzędnych) nazywa się wektorami kontrawariantnymi.
Nazwa kontrawariantny oznacza: przeciwny w sposobie transformacji niż wektory bazy.
Transformacja współrzędnych gradientu funkcji
(1) Niech dana będzie funkcja skalarna współrzędnych Gradient funkcji skalarnej – to wektor, który we współrzędnych kartezjańskich dany jest wzorem
tzn. -te współrzędne kartezjańskie gradientu są równe pochodnym cząstkowym funkcji po zmiennej
(2) Współrzędne gradientu wyrażonego we współrzędnych krzywoliniowych.
Jeżeli zapisze się funkcję za pomocą współrzędnych krzywoliniowych, to obliczenie gradientu nie będzie wyrażać się takim samym wzorem jak wyżej. Np. pierwsza składowa gradientu zapisana za pomocą współrzędnych krzywoliniowych ma postać
i analogicznie pozostałe składowe; w skróconym zapisie mamy
co po odwróceniu daje
Oznacza to, że:
Współrzędne kartezjańskie gradientu transformują się na współrzędne krzywoliniowe gradientu za pomocą macierzy identycznej jak macierz transformacji wektorów bazy na wektory bazy
Wektory, które transformują się tak jak gradient, nazywa się wektorami kowariantnymi.
Nazwa kowariantny oznacza: zgodny w sposobie transformacji z wektorami bazy.
Uwaga:
Gradient funkcji skalarnej jest wektorem kowariantnym; zgodne z przyjętą konwencją możemy napisać
oraz
Oznacza to, że
Pochodne funkcji skalarnej po współrzędnych kartezjańskich lub dowolnych współrzędnych krzywoliniowych są współrzędnymi kowariantnymi pewnego wektora.
Definicja transformacyjna tensorów kowariantnych i kontrawariantnych
Powyższe wzory na transformację różniczek współrzędnych i składowych gradientu funkcji określają dwa sposoby transformacji składowych dowolnych obiektów geometrycznych (skalarów, wektorów, tensorów wyższych rzędów) przy zmianie układu współrzędnych.
Definicja
(1) Składowymi kowariantnymi wektorów, tensorów 2-go rzędu itd. nazywa się te ich współrzędne, które transformują poprzez macierz tj. identyczną z macierzą transformacji bazy układu kartezjańskiego do bazy układu krzywoliniowego (mówi się, że składowe kowariantne transformują się współzmienniczo lub ko-wariantnie z wektorami bazy).
(2) Składowymi kontrawariantnymi wektorów, tensorów nazywa się te ich współrzędne, które transformują się poprzez macierz odwrotną (transformują się przeciwzmienniczo lub kontra-wariantnie).
Wektor położenia nie jest tensorem 1-go rzędu
(1) W myśl powyższej definicji – zwanej definicją transformacyjną – wielkość nie jest wektorem, gdyż transformuje się w za pomocą funkcji a nie za pomocą macierzy czy macierzy odwrotnej.
(2) Wynika stąd, iż definicja transformacyjna eliminuje ze zbioru tensorów 1-go rzędu (zwanych wektorami) wielkości, które zależą od wyboru punktu początkowego układu współrzędnych. Wektorami są wielkości, których własności transformacyjne są określone lokalnie, w miejscu gdzie dany wektor jest przyczepiony.
Gradient we współrzędnych krzywoliniowych
Wzór na gradient funkcji skalarnej
Wychodząc z definicji gradientu, mamy
Po wyciągnięci tego samego czynnika przed nawias otrzymamy
przy czym ostatni wyraz jest wektorem kobazy
Czyli gradient wyrażony we współrzędnych krzywoliniowych ma postać:
Powyższa postać gradientu jest identyczna jak we współrzędnych kartezjańskich: jest to suma pochodnych funkcji skalarnej po współrzędnych mnożona przez wektor bazy tego układu. Podana metoda obliczania ma więc charakter uniwersalny – dotyczy bowiem dowolnego układu współrzędnych.
Przy tym należy pamiętać, że wektory bazy nie są na ogół ani unormowane ani ortogonalne.
Przykład: Gradient we współrzędnych sferycznych
Dla układu współrzędnych sferycznych mamy
Niech funkcja skalarna ma postać potencjału pola elektrostatycznego wytwarzanego przez ładunek punktowy, tj.
gdzie – stała liczba. Ponieważ funkcja nie zależy tu of to ostatnie dwa wyrazy zerują się. Otrzymamy więc:
Pochodna funkcji po r wynosi
zaś wektor
Stąd otrzymamy ostatecznie
Widać, że gradient pola skalarnego o symetrii sferycznej jest skierowany radialnie, wzdłuż wektorów Przedstawia on siłę natężenie pola elektrostatycznego.
Składowe tensora metrycznego wyprowadzono (patrz wyżej) w oparciu o założenie, iż iloczyn skalarny wektorów w bazie kartezjańskiej ma postać Jest to słuszne dla przestrzeni euklidesowej.
W przestrzeniach pseudoeuklidesowych – do jakich należy np. 4-wymiarowa czasoprzestrzeń szczególnej i ogólnej teorii względności iloczyny skalarne wektorów bazy są zarówno dodatnie, jak i ujemne (ściślej mówiąc: w czasoprzestrzeni definiuje się iloczyny pseudoskalarne wektorów, które nie zawsze są liczbami nieujemnymi). Np. niezmiennik infinitezymalnego przemieszczenia ma w płaskiej czasoprzestrzeni postać
co oznacza, że tensor metryczny ma postać
Stąd wynika fundamentalne znaczenie elementu dla określenia własności geometrii w danej przestrzeni. Ponieważ
to na podstawie tensora metrycznego widać, że
ale
co oznacza, że długości wektorów bazowych w przestrzeni pseudoeuklidesowej są ujemne (!) (z tego względu, że tradycyjnie przez długość rozumie się wielkości nieujemne, mówi się tu raczej o pseudodługościach wektorów niż o długościach).