音樂同構

在數學中,特別是黎曼幾何跟微分流形的理論里,音樂同構(Musical isomorphism 或典範同構 canonical isomorphism)是指(偽)黎曼流形 M 的切叢 TM 與餘切叢T*M 之間的同構,這個同構由黎曼度量給出。不過一般地,只要流形的切叢上有一個處處非退化的雙線性形式(比如辛流形上的辛形式)便可定義這樣的同構。在帶有內積(或更一般的,非退化的雙線性形式)的有限維向量空間 V,這些同構自然給出了 V 和其對偶空間之間的同構,在這種情況一般稱這些映射為典範同構(canonical isomorphosm)。

這些運算在流形上的張量場理論里也稱為指標的上升和下降。

基本信息

正式定義

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黎曼流形M的黎曼度量 是一個二階的對稱、正定張量場 。在任意一點x∈M,黎曼度量會誘導出一個映射

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這映射給了點 的切空間跟餘切空間之間的一個線性同構,對任何切向量X屬於TM,定義

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其中符號 代表 流形上的黎曼度量。這意味著,

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這些線性映射的集合定義了一個叢同構

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這是一個特別的微分同胚,在每個切空間上為線性映射。在截面的層次上即是切向量場到餘切向量場的同構。在一個局部坐標 下,設度量矩陣為 ,逆矩陣為 ,向量場  。則這個同構會將 映射到

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這裡使用了愛因斯坦求和約定。

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以上同構稱為 降號音樂同構(flat)用符號 表示,例如以上的函式 可表示成: ;而其逆運算稱為 升號(sharp)用符號 表示:降號下降指標,升號上升指標,(Gallot,Hullin & Lafontaine 2004,p.75)。升號用局部坐標表示為:

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這兩個同構的核心是g為處處非退化的雙線性形式,任何一個非退化的雙線性形式都可給出類似的同構,對偽黎曼流形、辛流形也有類似的同構。在辛幾何中,這個同構非常重要,哈密頓向量場便是由這個同構導出的。

名稱由來

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同構 與其逆 稱為“音樂同構”是因為是因為常常用兩種音樂符號 來代替這些同構,比如 會寫成 , 會寫成 ,它們將指標向下、向上移動。例如,流形上的向量場 經過 映射會變成余向量場:

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這裡 將 映射到 ,係數的指標從上到下,所以這運算用降號符號 表示。

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而余向量 ,經過 運算會變成向量

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所以指標向下、向上移動好似符號降號( )與升號( )下降與上升一個半音的音高

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