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La salida ahora para un tensor dos veces contravariante en la base ortonormal queda:

CovDerTen2BiSphCom1,

Para primera ecuación:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

definimos como antes

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

De esta manera, en nuestras coordenadas obtenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\xi} V^{\xi} + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} V^{\bar{\eta}} + \mathcal{D}_{\varphi} V^{\varphi}) =

div_biSphComNor1

donde

V^{\xi} = \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \bar{\eta}} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \varphi} ),

V^{\bar{\eta}} = \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \bar{\eta}} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \varphi} ),

V^{\varphi} = \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \bar{\eta}} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ),

que desarrollando las covariantes quedan:

V^{\xi} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

V^{\bar{\eta}} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta}) + 2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} - \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ] ),

V^{\varphi} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

que combinandolo con la anterior, queda:

Finalmente, las ecuaciones:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} },

con las que procederemos de manera similar a como hemos hecho con las X^i, es decir, calculando las fuentes en una base, haciendo un cambio de base que las desacople (cartesianas), resolviendolas de manera independiente y volviendo a la base original:

S^i_\beta (\bar{r},\theta,\varphi) := 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}_i \Theta_{\beta},

que quedan:

S^{\xi}_\beta= 2 \big [ \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \bar{\eta}}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\xi \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\xi} \Theta_\beta,

S^{\bar{\eta}}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \xi}) + \mathcal{D}_{\bar{\eta}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \bar{\eta}}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{\eta} \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{\eta}} \Theta_\beta,

S^{\varphi}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\xi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\varphi} \Theta_\beta,

donde las derivadas covariantes del tensor dos veces contravariante:

T^{ij}:=\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}

son como acabamos de hacer en la ecuación anterior y las del escalar \Theta_\beta es como ya hicimos con las X^i:

S^{\xi} = 2 V^{\xi} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{3a} \partial_{\xi} \Theta_{\beta},

S^{\bar{\eta}} = 2 V^{\bar{\eta}} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{3a} \frac{(\bar{\eta} - 1)^2}{b} \partial_{\bar{\eta}} \Theta_{\beta},

S^{\varphi} = 2 V^{\varphi} - \frac{\mbox{\scriptsize cosh} \frac{b \bar{\eta}}{1 - \bar{\eta}} - \cos \xi}{3a} \csc \xi \partial_{\varphi} \Theta_{\beta}.

Hacemos a continuación el cambio:

[S^{\xi}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S^{\bar{\eta}}(\xi,\bar{\eta},\varphi),S^{\varphi}(\xi,\bar{\eta},\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [S^x(\xi,\bar{\eta},\varphi), S^y(\xi,\bar{\eta},\varphi), S^z(\xi,\bar{\eta},\varphi)],

y resolvemos:

\Delta \beta^{x} = S^{x}

\Delta \beta^{y} = S^{y}

\Delta \beta^{z} = S^{z},

deshaciendo el cambio:

[\beta^x(\xi,\bar{\eta},\varphi), \beta^y(\xi,\bar{\eta},\varphi), \beta^z(\xi,\bar{\eta},\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [\beta^{\xi}(\xi,\bar{\eta},\varphi),\beta^{\bar{\eta}}(\xi,\bar{\eta},\varphi),\beta^{\varphi}(\xi,\bar{\eta},\varphi)]

para terminar.

La salida ahora para un tensor dos veces contravariante en la base ortonormal queda:

CovDerTen2SphCom1,

Para primera ecuación:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

definimos como antes

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

De esta manera, en nuestras coordenadas obtenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\bar{r}} V^{\bar{r}} + \mathcal{D}_{\theta} V^{\theta} + \mathcal{D}_{\varphi} V^{\varphi}) =

= \frac{3 - 3\bar{r} }{2a \bar{r}} [ (\bar{r}-\bar{r}^2) \partial_{\bar{r}} V^{\bar{r}} + 2 V^{\bar{r}} + \partial_{\theta} V^{\theta} + \cot \theta V^{\theta} + \csc \theta \partial_{\varphi} V^{\varphi} ],

donde

V^{\bar{r}} = \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi} ),

V^{\theta} = \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi} ),

V^{\varphi} = \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \theta} ) + \mathcal{D}_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ),

que desarrollando las covariantes quedan:

V^{\bar{r}} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

V^{\theta} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta}) + 2 \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} - \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi} ] ),

V^{\varphi} = \frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\theta} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta} ] +

+ \frac{1 - \bar{r}}{a \bar{r}} [ \csc \theta \partial_{\varphi} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) + \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}} + \cot \theta \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta} - \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\varphi \varphi}] ),

que combinandolo con la anterior, queda (solo escribimos como empezaría debido a la longitud de la ecuación):

\Delta \Theta_\beta = \frac{3 - 3\bar{r} }{2a \bar{r}} \Big [ (\bar{r}-\bar{r}^2) \partial_{\bar{r}} [\frac{(1 - \bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) + \ldots ] + \ldots \Big ]

Finalmente, las ecuaciones:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} },

con las que procederemos de manera similar a como hemos hecho con las X^i, es decir, calculando las fuentes en una base, haciendo un cambio de base que las desacople (cartesianas), resolviendolas de manera independiente y volviendo a la base original:

S^i_\beta (\bar{r},\theta,\varphi) := 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}_i \Theta_{\beta},

que quedan:

S^{\bar{r}}_\beta= 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \theta}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{r} \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{r}} \Theta_\beta,

S^{\theta}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{r}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \bar{r}}) + \mathcal{D}_{\theta} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \theta}) + \mathcal{D}_{\varphi} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\theta \varphi}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\theta} \Theta_\beta,

S^{\varphi}_\beta = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{y}} \Theta_\beta,

donde las derivadas covariantes del tensor dos veces contravariante:

T^{ij}:=\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}

son como acabamos de hacer en la ecuación anterior y las del escalar \Theta_\beta es como ya hicimos con las X^i:

S^{\bar{r}} = 2 V^{\bar{r}} - \frac{(1-\bar{r})^2}{3a} \partial_{\bar{r}} \Theta_{\beta},

S^{\theta} = 2 V^{\theta} - \frac{1-\bar{r}}{3a\bar{r}} \partial_{\theta} \Theta_{\beta},

S^{\varphi} = 2 V^{\varphi} - \frac{1-\bar{r}}{3a\bar{r}} \csc \theta \partial_{\varphi} \Theta_{\beta}.

Hacemos a continuación el cambio:

[S^{\bar{r}}(\bar{r},\theta,\varphi),S^{\theta}(\bar{r},\theta,\varphi),S^{\varphi}(\bar{r},\theta,\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [S^x(\bar{r},\theta,\varphi), S^y(\bar{r},\theta,\varphi), S^z(\bar{r},\theta,\varphi)],

y resolvemos:

\Delta \beta^{x} = S^{x}

\Delta \beta^{y} = S^{y}

\Delta \beta^{z} = S^{z},

deshaciendo el cambio:

[\beta^x(\bar{r},\theta,\varphi), \beta^y(\bar{r},\theta,\varphi), \beta^z(\bar{r},\theta,\varphi)] \rightarrow

\rightarrow [\beta^{\bar{r}}(\bar{r},\theta,\varphi),\beta^{\theta}(\bar{r},\theta,\varphi),\beta^{\varphi}(\bar{r},\theta,\varphi)]

para terminar.

La salida ahora para un tensor dos veces contravariante en la base ortonormal queda:

CovDerTen2CarCom2,

Para primera ecuación:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

definimos como antes

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

De esta manera, en nuestras coordenadas obtenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\bar{x}} V^{\bar{x}} + \mathcal{D}_{\bar{y}} V^{\bar{y}} + \mathcal{D}_{\bar{z}} V^{\bar{z}}) =

= \frac{3}{2} (\frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} V^{\bar{x}}+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} V^{\bar{y}} + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} V^{\bar{z}}),

donde

V^{\bar{x}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ),

V^{\bar{y}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ),

V^{\bar{z}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ),

que desarrollando las covariantes quedan:

V^{\bar{x}} = \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ),

V^{\bar{y}} = \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ),

V^{\bar{z}} = \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) + \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ).

Por tanto, combiando todo, tenemos:

\Delta \Theta_\beta =

= \frac{3 + 3cos(\pi \bar{x})}{2 a \pi} \partial_{\bar{x}} \big [ \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ) \big ] +

+ \frac{3 + 3 \cos (\pi \bar{y})}{2b \pi} \partial_{\bar{y}} \big [ \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ) \big ] +

+ \frac{3 + 3 \cos(\pi \bar{z})}{2c \pi} \partial_{\bar{z}} \big [ \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

\frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) +

+ \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ) \big ],

Finalmente, las ecuaciones:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} }.

son:

\Delta \beta^{\bar{x}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{x}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{y}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{y}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{z}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{z}} \Theta_\beta,

y al sustituir las derivadas covariantes:

\Delta \beta^{\bar{x}} = \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}}) - \frac{1 + \cos(\pi \bar{x})}{3a \pi} \partial_{\bar{x}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{y}} = \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{z})}{c} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) - \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{3b \pi} \partial_{\bar{y}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{z}} = \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}}) +

+ \frac{2 + 2 \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}}) - \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{3c \pi} \partial_{\bar{z}} \Theta_\beta.

Copio a continuación la salida generada por nuestra función en Mathematica que nos calcula todas las derivadas covariantes de tensores con dos índices (aunque en este caso particular no es excesivamente laborioso, si lo es para el resto de entradas, por lo que evitaremos morir en el intento de pasarlas a latex 😉 ) . En particular, aquí lo hacemos para un vector dos veces contravariante y para la base ortonormal:

CovDerTen2CarCom1,

donde primer término corresponde al factor que acompaña a la derivada parcial y la matriz contiene los factores que acopañan a cada par de valores de los índices.

Vamos a ver ahora, en este caso, como quedan las ecuaciones del shift. Para la primera:

\boxed{\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i \mathcal{D}_j (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij}) },

como contraemos el índice j quedando libre únicamente el i, definimos

V^i := \mathcal{D}_j \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij},

de manera que la ecuación original la reescribimos como

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i,

que nos ayudará a no liarnos, ya que ésta última queda como una derivada covariante de un vector donde éste, a su vez, lo calcularemos a parte como la derivada covariante de un tensor dos veces contravariante.

De esta manera, en nuestras coordenadas tenemos:

\Delta \Theta_\beta = \frac{3}{2} \mathcal{D}_i V^i = \frac{3}{2} (\mathcal{D}_{\bar{x}} V^{\bar{x}} + \mathcal{D}_{\bar{y}} V^{\bar{y}} + \mathcal{D}_{\bar{z}} V^{\bar{z}}) =

= \frac{3}{2} (\frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} V^{\bar{x}}+ \frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} V^{\bar{y}} + \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} V^{\bar{z}}),

donde

V^{\bar{x}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ),

V^{\bar{y}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ),

V^{\bar{z}} = \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) + \mathcal{D}_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ),

que desarrollando las covariantes según lo encontrado al principio del post, quedan:

V^{\bar{x}} = \frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) + \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ),

V^{\bar{y}} = \frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) + \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ),

V^{\bar{z}} = \frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) + \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ).

Por tanto, combiando todo, tenemos:

\Delta \Theta_\beta =

= \frac{3|\bar{x}^2-1|}{2a} \partial_{\bar{x}} \big [ \frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}} ) +

+ \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}} ) \big ] +

+ \frac{3|\bar{y}^2-1|}{2b} \partial_{\bar{y}} \big [ \frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}} ) +

+ \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}} ) \big ] +

+ \frac{3|\bar{z}^2-1|}{2c} \partial_{\bar{z}} \big [ \frac{|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

\frac{|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}} ) +

+ \frac{|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}} ) \big ],

Para terminar, nos quedan la ecuaciónes:

\boxed{\Delta \beta^i = 2\mathcal{D}_j ( \alpha \psi^{-6} \hat{A}^{ij} ) - \frac{1}{3} \mathcal{D}^i \Theta_{\beta} }.

En primer lugar, bajamos el índice de la derivada contravariante:

\mathcal{D}^{\bar{x}} \Theta_\beta = f^{\bar{x} i} \mathcal{D}_i \Theta_\beta = f^{\bar{x} \bar{x}} \mathcal{D}_{\bar{x}} \Theta_\beta + f^{\bar{x} \bar{y}} \mathcal{D}_{\bar{y}} \Theta_\beta + f^{\bar{x} \bar{z}} \mathcal{D}_{\bar{z}} \Theta_\beta = \mathcal{D}_{\bar{x}} \Theta_\beta,

y de la misma manera:

\mathcal{D}^{\bar{y}} = \mathcal{D}_{\bar{y}} y \mathcal{D}^{\bar{z}} = \mathcal{D}_{\bar{z}}.

Así pues, lo que nos queda es:

\Delta \beta^{\bar{x}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{x}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{y}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{y}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{z}} = 2 \big [ \mathcal{D}_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) + \mathcal{D}_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}}) + \mathcal{D}_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}}) \big ] - \frac{1}{3} \mathcal{D}_{\bar{z}} \Theta_\beta,

que al sustituir las derivadas covariantes del tensor dos veces contravariante \hat{A}^{ab} y del escalar \Theta_\beta, por su valor calculado al principio del post, quedan:

\Delta \beta^{\bar{x}} = \frac{2|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{x}}) +

+ \frac{2|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{y}}) +

+ \frac{2|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{x} \bar{z}}) - \frac{|\bar{x}^2-1|}{3a} \partial_{\bar{x}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{y}} = \frac{2|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{x}}) +

+ \frac{2|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{y}}) +

+ \frac{2|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{y} \bar{z}}) - \frac{|\bar{y}^2-1|}{3b} \partial_{\bar{y}} \Theta_\beta,

\Delta \beta^{\bar{z}} = \frac{2|\bar{x}^2-1|}{a} \partial_{\bar{x}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{x}}) +

+ \frac{2|\bar{y}^2-1|}{b} \partial_{\bar{y}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{y}}) +

+ \frac{2|\bar{z}^2-1|}{c} \partial_{\bar{z}} (\alpha \psi^{-6} \hat{A}^{\bar{z} \bar{z}}) - \frac{|\bar{z}^2-1|}{3c} \partial_{\bar{z}} \Theta_\beta.

Seguimos utilizando la misma función mencionada aquí.

Compactificaremos de dos manera diferentes:

\boxed{\boxed{x = a \, \mbox{arctanh} \, \bar{x}, y = b \, \mbox{arctanh} \, \bar{y}, z = c \, \mbox{arctanh} \, \bar{z} }}

Para la base \{ \partial_{\bar{x}}, \partial_{\bar{y}}, \partial_{\bar{z}}\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan (utilizamos X,Y,Z en Mathematica para representar \bar{x},\bar{y},\bar{z}):

ChrSym_CarCom1

CovDer_CarCom1

Para la base \{ \frac{|-1+\bar{x}^2|}{a} \partial_{\bar{x}}, \frac{|-1+\bar{y}^2|}{b} \partial_{\bar{y}}, \frac{|-1+\bar{z}^2|}{c} \partial_ {\bar{z}}\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_CarComNor1

CovDer_CarComNor1

\boxed{\boxed{x = a \tan \frac{\pi \bar{x}}{2}, b \tan \frac{\pi \bar{y}}{2}, c \tan \frac{\pi \bar{z}}{2} }}

Para la base \{ \partial_{\bar{x}}, \partial_{\bar{y}}, \partial_{\bar{z}}\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan:

ChrSym_CarCom2

CovDer_CarCom2

Para la base \{ \frac{1+\cos (\pi \bar{x})}{a \pi} \partial_{\bar{x}}, \frac{1 + \cos(\pi \bar{y})}{b \pi} \partial_{\bar{y}}, \frac{1 + \cos(\pi \bar{z})}{c \pi} \partial_ {\bar{z}}\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_CarComNor2

CovDer_CarComNor2

Seguimos utilizando la misma función mencionada aquí.

Compactificaremos de tres manera diferentes:

\boxed{\boxed{r = \frac{a \bar{r}}{1 - \bar{r}}}} (y no \frac{a \bar{r}}{a - \bar{r}} como escribimos en este post)

Para la base \{ \partial_{\bar{r}}, \partial_{\theta}, \partial_{\varphi}\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan (\bar{r} lo representamos mediante R en Mathematica):

ChrSym_SphCom

CovDer_SphCom

Para la base \{ \frac{(1-\bar{r})^2}{a} \partial_{\bar{r}}, \frac{1-\bar{r}}{a \bar{r}} \partial_{\theta}, \frac{1-\bar{r}}{a \bar{r}}\csc \theta \partial_ {\varphi}\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_SphComNor

CovDer_SphComNor

\boxed{\boxed{r=a\, \mbox{arctanh} \bar{r}}}

Para la base \{ \partial_{\bar{r}}, \partial_{\theta}, \partial_{\varphi}\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan:

ChrSym_SphCom2

CovDer_SphCom2

Para la base \{ \frac{1-\bar{r}^2}{a}\partial_{\bar{r}}, \frac{1}{a\, \mbox{\scriptsize arctanh}\, \bar{r}} \partial_{\theta}, \frac{\csc \theta}{a\, \mbox{\scriptsize arctanh} \,\bar{r}} \partial_ {\varphi}\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_SphComNor2

CovDer_SphComNor2

\boxed{\boxed{r = a \tan \frac{\pi \bar{r}}{2}}}

Para la base \{ \partial_{\bar{r}}, \partial_{\theta}, \partial_{\varphi}\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan:

ChrSym_SphCom3

CovDer_SphCom3

Para la base \{ \frac{1+\cos \pi \bar{r}}{a \pi} \partial_{\bar{r}}, \frac{\cot \frac{\pi \bar{r}}{2}}{a} \partial_{\theta}, \frac{\cot \frac{\pi \bar{r}}{2}}{a} \csc \theta \partial_ {\varphi}\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_SphComNor3

CovDer_SphComNor3

Seguimos utilizando la misma función mencionada aquí.

Para la base \{ \partial_r, \partial_{\theta}, \partial_{\varphi}\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan:

   ChrSym_Sph

CovDer_Sph

Para la base \{ \partial_r, \frac{1}{r} \partial_{\theta}, \frac{\csc \theta}{r} \partial_ {\varphi}\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_SphNor

CovDer_SphNor

Ya tenemos nuestra función lista para realizar todos estos cálculos de manera automática.

Para la base \{ \partial_r, \partial_{\theta}, \partial_z\}, los símbolos de Christoffel y las derivadas covariantes quedan:

ChrSym_Cyl

CovDer_Cyl

Para la base \{ \partial_r, \frac{1}{r} \partial_{\theta}, \partial_ z\}, los coeficientes de rotación de Ricci y las derivadas covariantes quedan:

RotRic_CylNor

CovDer_CylNor

Considerando las dos bases, holonómica y ortonormal, para el espacio tangente introducidas en este post:

\{ e_i \} = \{ \partial_{\bar{r}}, \partial_{\theta}, \partial_{\varphi} \},

\{ \hat{e}_i \} = \{ \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2}\partial_{\bar{r}}, \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} \partial_{\theta}, \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} \csc \theta \partial_{\varphi} \},

tenemos que:

\hat{e}_1 = \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2}e_1, \hat{e}_2 = \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} e_2 y \hat{e}_3 = \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} \csc \theta e_3,

y, por tanto:

A_{\hat{i}}^{i} = \left(  \begin{array}{ccc} \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} & 0 & 0 \\  0 & \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} & 0 \\  0 & 0 & \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} \csc \theta \end{array}  \right) i A_{i}^{\hat{i}} = \left( \begin{array}{ccc}  \frac{a^2}{(a-\bar{r})^2} & 0 & 0 \\  0 & \frac{a\bar{r}}{a-\bar{r}} & 0 \\  0 & 0 & \frac{a\bar{r}}{a-\bar{r}} \sin \theta  \end{array}  \right).

Vamos a encontrar la expresión de las derivadas covariante en la base normalizada mediante cambios de base. Antes de empezar, dos consideraciones: en primer lugar, T^i y T^{\hat{i}} son tensores una vez contravariante, o lo que es lo mismo, son campos vectoriales. Por la linealidad de la conexión, podemos centrarnos en la derivada covariante de los elementos de la base. En segundo lugar, las derivadas parciales no afectan a los escalares, que están sobre la variedad y no en el espacio tangente.

Empezamos:

\mathcal{D}_{\bar{r}} T^{\bar{r}} = \mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\bar{r}}} A_{\bar{r}}^{\hat{\bar{r}}} A_{\hat{\bar{r}}}^{\bar{r}} = \mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\bar{r}}},

\partial_{\bar{r}} T^{\bar{r}} + \frac{2}{a-\bar{r}} T^{\bar{r}} = \partial_{\bar{r}} (T^{\hat{\bar{r}}} A_{\hat{\bar{r}}}^{\bar{r}}) + \frac{2}{a-\bar{r}} T^{\hat{\bar{r}}} A_{\hat{\bar{r}}}^{\bar{r}} = \partial_{\bar{r}}(\frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} T^{\hat{\bar{r}}}) + \frac{2}{a-\bar{r}} \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} T^{\hat{\bar{r}}} =

= -\frac{2(a-\bar{r})}{a^2} T^{\hat{\bar{r}}} + \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\bar{r}}} + \frac{2(a-\bar{r})}{a^2} T^{\hat{\bar{r}}} = \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\bar{r}}},

con lo que:

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\bar{r}}} = \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\bar{r}}}}.

Para:

\mathcal{D}_{\bar{r}} T^{\theta} = \mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} A_{\bar{r}}^{\hat{\bar{r}}} A_{\hat{\theta}}^{\theta} = \frac{a^2}{(a-\bar{r})^2} \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} \mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} = \frac{a}{a\bar{r}-\bar{r}^2} \mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}},

\partial_{\bar{r}} T^{\theta} + \frac{a}{a\bar{r}-\bar{r}^2} T^{\theta} = \partial_{\bar{r}} (T^{\hat{\theta}} A_{\hat{\theta}}^{\theta}) + \frac{a}{a\bar{r}-\bar{r}} T^{\hat{\theta}} A_{\hat{\theta}}^{\theta} = \partial_{\bar{r}} (\frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} T^{\hat{\theta}}) + \frac{a}{a\bar{r} -\bar{r}} \frac{a-\bar{r}}{a\bar{r}} T^{\hat{\theta}} =

= \partial_{\bar{r}} (\frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}}) T^{\hat{\theta}} + \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} + \frac{1}{\bar{r}^2} T^{\hat{\theta}} = -\frac{1}{\bar{r}^2} T^{\hat{\theta}} + \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} + \frac{1}{\bar{r}^2} T^{\hat{\theta}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}},

tenemos:

\frac{a}{a\bar{r}-\bar{r}^2} \mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} \Leftrightarrow \boxed{\mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}} = \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\theta}}}

Procediendo de la misma manera, obtenemos:

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\varphi}} = \frac{(a-\bar{r})^2}{a^2} \partial_{\hat{\bar{r}}} T^{\hat{\varphi}} },

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\theta}} T^{\hat{\bar{r}}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\hat{\theta}} T^{\hat{\bar{r}}} - T^{\hat{\theta}} ] },

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\theta}} T^{\hat{\theta}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} [ \partial_{\hat{\theta}} T^{\hat{\theta}} + T^{\hat{\bar{r}}} ] },

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\theta}} T^{\hat{\varphi}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \partial_{\hat{\theta}} T^{\hat{\varphi}} },

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\varphi}} T^{\hat{\bar{r}}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \csc \theta [ \partial_{\hat{\varphi}} T^{\hat{\bar{r}}} - \sin \theta T^{\hat{\varphi}}] },

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\varphi}} T^{\hat{\theta}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \csc \theta [ \partial_{\hat{\varphi}} T^{\hat{\theta}} - \cos \theta T^{\hat{\varphi}}] },

\boxed{\mathcal{D}_{\hat{\varphi}} T^{\hat{\varphi}} = \frac{a-\bar{r}}{a \bar{r}} \csc \theta [ \partial_{\hat{\varphi}} T^{\hat{\varphi}} + \sin \theta T^{\hat{\bar{r}}} + \cos \theta T^{\hat{\theta}} }.

Podemos calcular que:

\mathcal{D}_r T^\theta = \partial_r T^i + \frac{1}{r} T^\theta,

en la base coordenada \{ \partial_r, \partial_\theta, \partial_\varphi \}, y que:

\mathcal{D}_{\hat{r}} T^{\hat{\theta}} = \partial_{\hat{r}} T^{\hat{\theta}},

en la base ortonormal \{ \partial_r, \frac{1}{r} \partial_\theta + \frac{csc \theta}{r} \partial_\varphi \} = \{\hat{e}_r, \hat{e}_\theta, \hat{e}_\varphi \}.

Vamos a tratar de relacionarlas mediante un simple cambio de variable. Para empezar, escribimos la derivada covariante del vector como un tensor:

E_{i}^{\phantom{i}j} := \mathcal{D}_i T^j.

Ahora transformamos la primera expresión mediante las reglas de cambio de variable de los tensores:

\mathcal{D}_{r} T^{\theta} = E_{r}^{\phantom{r} i} = E_{\hat{r}}^{\phantom{r} \hat{\theta}} A_{\hat{\theta}}^{\theta} A_{r}^{\hat{r}} = \frac{1}{r} \mathcal{D}_{\hat{r}}^{\phantom{r} \hat{\theta}} T^{\hat{\theta}},

por un lado, y como:

T^{\theta} = T^{\hat{\theta}} A_{\hat{\theta}}^{\theta} = \frac{1}{r} T^{\hat{\theta}},

entonces tenemos:

\partial_{r}(\frac{1}{r}T^{\hat{\theta}}) + \frac{1}{r^2}T^{\theta} = -\frac{1}{r^2} T^{\hat{\theta}} + \frac{1}{r} \partial_r T^{\hat{\theta}} + \frac{1}{r^2} T^{\hat{\theta}},

por otro. Finalmente:

\frac{1}{r} \mathcal{D}_{\hat{r}} T^{\theta} = \frac{1}{r} \partial_{\hat{r}} T^{\hat{\theta}},

que, simplificando los \frac{1}{r}, es lo que esperábamos.

En el siguiente vector, calculado mediante una función escrita en Mathematica, tenemos:

(\mathcal{D}_r T^r, \mathcal{D}_r T^\theta, \mathcal{D}_r T^\varphi, \mathcal{D}_\theta T^r, \mathcal{D}_\theta T^\theta, \mathcal{D}_\theta T^\varphi, \mathcal{D}_\varphi T^r, \mathcal{D}_\varphi T^\theta, \mathcal{D}_\varphi T^\varphi)^T=

derCovEsf

Una conexión afín (o derivación covariante) permite

La derivada covariante del campo vectorial queda:

donde el primer sumando corresponde a la derivada parcial del campo respecto de la base y la segunda a la variación de la propia base curvilínea respecto de las lineas coordenadas.

Aunque la formula anterior corresponde a la derivada covariante de un campo vectorial contravariante, es fácilmente extensible a cualquier tensor (p,q). La derivada covariante de un tensor de este tipo queda:

\mathcal{D}_{\hat{k}} T^{\hat{i}_1 \cdots \hat{i}_p}_{\hat{j}_1 \cdots \hat{j}_q} = e_{\hat{k}}^l \partial_{\hat{k}} T^{\hat{i}_1 \cdots \hat{i}_p}_{\hat{j}_1 \cdots \hat{j}_q} + \Sigma_{i=1}^p \Gamma_{}^{} T_{}^{\hat{j}_1 \cdots \hat{j}_q} - \Sigma_{i=1}^q \Gamma_{}^{} T_{\hat{i}_1 \cdots \hat{i}_p}^{}.

Calculamos ahora los símbolos de Christoffel de la esfera y de la pseudoesfera. La formula general es:

\Gamma_{ij}^k = \frac{1}{2} g^{rk} \{ \frac{\partial}{\partial x^j}g_{ir} + \frac{\partial}{\partial x^i}g_{jr} - \frac{\partial}{\partial x^r}g_{ij} \}.

Empezamos con la esfera donde teniamos un embedding:

f: S^2(\frac{1}{a^2}) \longrightarrow \mathbb{R}^3 \,/\, (\theta,\varphi) \mapsto a(\cos \theta \cos \varphi, \cos \theta \sin \varphi, \sin \theta)

y la métrica inducida medainte el pullback era:

f^*h: a^2 d\theta^2 + a^2 \sin^2 \theta d\varphi^2

Tenemos que calcular:

\Gamma^{\theta}_{\theta \theta}, \Gamma^{\theta}_{\theta \varphi} = \Gamma^{\theta}_{\varphi \theta}, \Gamma^{\theta}_{\varphi \varphi}, \Gamma^{\varphi}_{\theta \theta}, \Gamma^{\varphi}_{\theta \varphi} = \Gamma^{\varphi}_{\varphi \theta}, \Gamma^{\varphi}_{\varphi \varphi}

Calculamos, por ejemplo, \Gamma^{1}_{22} = \Gamma^{\theta}_{\varphi \varphi}:

\Gamma_{\varphi \varphi}^\theta = \frac{1}{2} \{ \frac{\partial}{\partial d\varphi}g_{\varphi \theta} + \frac{\partial}{\partial \varphi}g_{\varphi \theta} + \frac{\partial}{\partial \theta}g_{\varphi \varphi} \} g^{\theta \theta} + \frac{1}{2} \{ \frac{\partial}{\partial d\varphi}g_{\varphi \varphi} + \frac{\partial}{\partial \varphi}g_{\varphi \varphi} + \frac{\partial}{\partial \varphi}g_{\varphi \varphi} \} g^{\varphi \theta},

que, teniendo en cuenta que las bases son ortogonales, es decir, que métrica es diagonal, queda:

\Gamma^{\theta}_{\varphi \varphi} = \frac{1}{2} (\frac{\partial}{\partial \theta} g_{\varphi \varphi}) g^{\theta \theta} = -\frac{1}{2 a^2} a^2 \, 2 \sin \theta \cos \theta = - \sin \theta \cos \theta.

Como son cálculos largos y tediosos donde es muy fácil equivocarse, he escrito una pequeña función en Mathematica que nos los calcula:


 Simbolos[] := For[ia = 1, ia <= 2, ia++,
   For[ib = 1, ib <= 2, ib++,
     For[ic = 1, ic <= 2, ic++,
       r = 0;
       For[ii = 1, ii <= 2, ii++,
         r = r + FullSimplify[
                              1/2*Inverse[g][[ii]][[ia]]*
                              (D[g[[ii]][[ib]],u[[ic]]] + 
                               D[g[[ii]][[ic]],u[[ib]]] - 
                               D[g[[ib]][[ic]], u[[ii]]])
                 ]
       ];
       Print["Gamma[", ia, ",", ib, ",", ic, "] = ", r]
     ]
   ]
 ]
 

Para utilizarla, simplemente inicializamos previamente a su llamada una matriz con nombre g de dimensión 2 \times 2 con la métrica (por ejemplo introducimos la de la esfera, las variables sobre las que deriva deben llamarse u_1 y u_2)

g=\{\{a{}^{\wedge}2,0\},\{0,a{}^{\wedge}2*\text{Sin}[\text{u1}]{}^{\wedge}2\}\}

y, a continuación, llamamos a la función Simbolos sin parámetros:

\text{Simbolos}[]

y obtenemos:

\text{Gamma[}1,1,1\text{] = }0

\text{Gamma[}1,1,2\text{] = }0

\text{Gamma[}1,2,1\text{] = }0

\Gamma^{1}_{22} = \text{Gamma[}1,2,2\text{] = }-\text{Cos}[\text{u1}] \text{Sin}[\text{u1}]

\text{Gamma[}2,1,1\text{] = }0

\text{Gamma[}2,1,2\text{] = }\text{Cot}[\text{u1}]

\text{Gamma[}2,1,2\text{] = }\text{Cot}[\text{u1}]

\text{Gamma[}2,2,2\text{] = }0

De la misma manera, para la pseudoesfera \mathbb{H}^2(-\frac{1}{a^2}) tenemos:

g=\{\{a{}^{\wedge}2*\text{Cot}[\text{u1}]{}^{\wedge}2,0\},\{0,a{}^{\wedge}2*\text{Sin}[\text{u1}]{}^{\wedge}2\}\}

que nos da, al ejecutar \text{Simbolos}[],

\text{Gamma[}1,1,1\text{] = }-\text{Csc}[\text{u1}] \text{Sec}[\text{u1}]

\text{Gamma[}1,1,2\text{] = }0

\text{Gamma[}1,2,1\text{] = }0

\text{Gamma[}1,2,2\text{] = }-\text{Sin}[\text{u1}]^2 \text{Tan}[\text{u1}]

\text{Gamma[}2,1,1\text{] = }0

\text{Gamma[}2,1,2\text{] = }\text{Cot}[\text{u1}]

\text{Gamma[}2,2,1\text{] = }\text{Cot}[\text{u1}]

\text{Gamma[}2,2,2\text{] = }0.

Finalmente, si hacemos todos los cálculos finalmente para \mathbb{R}^2 obtenemos que todos los símbolos de Christoffel son 0, de manera que, en este caso, y como era de esperar, la derivación parcial y la derivación covariante coinciden.

Conocidos los símbolos de Christoffel, la derivación covariante de cualquier tensor, por ejemplo T^a_b, queda:

\nabla_c T^a_b = \partial_c T^a_b + \Gamma^a_{dc} T^d_b - \Gamma^d_bc T^a_d,

que corresponde a la parcial a la que sumamos por cada índice covariante del tensor y restamos por cada índice contravariante. En cada caso, lo que se se suma o se resta, proviene del recorrerido sobre el otro índice y el correspondiente del símbolo de Christoffel por el criterio de sumación y fijando el resto.

Se pueden pensar las geodésicas de una variedad M como curvas \gamma que minimizan distancias o como curvas de aceleración nulas.

Como la segunda opción, su definición en función de segundas derivadas, resulta mas operativa, y las derivadas direccionales (D_{\vec{v}} Y , que podemos ver como (\nabla Y) \cdot \vec{v}, que nos permite definir D_X Y) no tiene porque estar en el espacio tangente de una variedad arbitraria, necesitamos aprender a derivar campos vectoriales en éstas.

Si la variedad está contenida en un espacio ambiente, siempre podemos quedarnos con la parte tangente de las derivadas direccionales, es decir, siempre podemos proyectar (D_X^T Y), pero ¿qué pasa cuando no tenemos la variedad embebida en un espacio ambiente? o, equivalentemente, ¿qué pasa cuando queremos trabajar de manera intrínseca? Necesitamos introducir el concepto de conexión.

Una conexión nos permitirá derivar campos vectoriales sobre variedades abstractas y definir así la aceleración de una curva como la variación del campo velocidad a lo largo de ésta. Se puede definir una conexión sobre una variedad M como una aplicación:

\nabla: \mathcal{X}(M) \times \mathcal{X}(M) \longrightarrow \mathcal{X}(M)

cumpliendo:

  1. \nabla es \mathcal{C}^\infty (M)-lineal en la primera variable.
  2. \nabla es \mathbb{R}-lineal en la segunda variable.
  3. \nabla_X (fY) = X(f) Y + f \nabla_X Y para toda función f.

Llamamos al nuevo campo vectorial \nabla_X Y derivada covariante de Y con respecto a X y \nabla_{X_p} Y es la derivada direccional de Y en la dirección X_p sobre la variedad abstracta.

Esta definición es poco operativa. Si expresamos los campos en una carta (U,\phi), entonces \nabla_X Y queda totalmente determinado por los símbolos de conexión \Gamma_{ij}^k determinados mediante:

\nabla_{\frac{\partial}{\partial \phi^i}} \frac{\partial}{\partial \phi^j} = \sum_k \Gamma_{ij}^k \frac{\partial}{\partial \phi^k}

en las coordenadas de la carta.

Una consideración importante es que las conexiones existen sin la necesidad de las métricas, es decir, que podemos hacer referencia a transporte paralelo y a geodésicas en una variedad sin necesidad de tener definida una métrica sobre ésta. Sin embargo, un resultado sorprendente, fundamental, nos garantiza la construcción de una conexión única coherente con la métrica: la conexión de Levi-Civita.

Hemos hablado mucho de las ecuaciones de campo de Einstein pero aún no han aparecido de manera explícita. En el artículo “Introducción a la relatividad numérica” de M. Alcubierre, éste habla sobre ellas.

Las ecuaciones de campo de Einstein, derivadas buscando una generalización relativista y consistente de la ley de gravitación de Newton, como lo hizo Einstein, o de manera formal a partir de un principio variacional partiendo de un Lagrangiano adecuado, como lo hizo Hilbert, se escriben en su forma mas compacta como (signatura (-,+,+,+) y G=c=1):

G_{\mu\nu} = 8 \pi T_{\mu\nu}

donde G_{\mu\nu} es el tensor de curvatura de Einstein que representa la geometría del espacio-tiempo, 8 \pi es un factor de normalización para obtener el límite Newtoniano correcto y T_{\mu\nu} es el tensor de energia-momento que representa la distribución de materia y energía. Como G_{\mu \nu}, T_{\mu \nu} \in \mathcal{M}_{16}(\mathbb{R}), tenemos 16 ecuaciones que se reducen a 10 por ser simétricos los dos tensores en sus dos índices. Son 10 PDEs acopladas en 4D.

El tensor de Einstein se define como:

G_{\mu \nu} := R_{\mu \nu} - \frac{1}{2} g_{\mu \nu}R

donde R_{\mu \nu}:=R^\lambda_{\mu \lambda \nu} es el tensor de Ricci (R_{\mu \nu} \in \mathcal{M}_{16}(\mathbb{R})) que se obtiene contrayendo dos índices libres del tensor de curvatura de Riemann y R:=g^{\mu \nu}R_{\mu \nu} es la traza del tensor de Ricci o la curvatura escalar.

El tensor curvatura está definido para toda variedad dotada de una conexión \nabla:

R(u,v)w = \nabla_u \nabla_v w - \nabla_v \nabla_u w - \nabla_{[u,v]}w

y nos permite hablar de transporte paralelo, nos dice el cambio que sufre un vector al transportalo paralelamente. En una variedad de Riemann siempre podemos definir una conexión libre de torsión, la conexión de Levi-Civita, que expresada en componentes queda:

R^{\rho}_{\sigma \mu \nu} = \partial_\mu \Gamma^\rho_{\sigma \nu} - \partial_\nu \Gamma^\rho_{\sigma \mu} + \Gamma^\alpha_{\sigma \nu} \Gamma^\rho_{\alpha \mu} - \Gamma^\alpha_{\sigma \mu} \Gamma^\rho_{\alpha \nu}

y que con 4 índices en n dimensiones tiene n^4 componentes, de las que solo 20 (si n=4 y 4^4=256), al tener en cuenta simetrías, son independientes. Se puede demostrar que R=0 \Leftrightarrow variedad plana.

Recordar que se pueden subir y bajar índices contrayendo con el tensor métrico o su inverso:

v_\alpha = g_{\alpha \beta} v^\beta

v^\alpha = g^{\alpha \beta} v_\beta

R_{\rho \sigma \mu \nu} = g_{\rho \alpha} R^{\alpha}_{\sigma \mu \nu}

En el último ejemplo obtenemos la versión de la curvatura de Riemann totalmente covariante, un tensor de tipo (0,4) (los elementos de la base pasan de ser de la forma \frac{\partial}{\partial_{x^\alpha}} \otimes dx^\beta \otimes dx^\gamma \otimes dx^\delta de un tensor de tipo (1,3) a ser de la forma dx^\alpha \otimes dx^\beta \otimes dx^\gamma \otimes dx^\delta).

El tensor de curvatura de Riemann tiene las siguientes propiedades:

  1. Antisimetrías: R_{\alpha \beta \gamma \delta} = - R_{\alpha \beta \delta \gamma} = -R_{\beta \alpha \gamma \delta}.
  2. Simetrías: R_{\alpha \beta \gamma \delta} = R_{\gamma \delta \alpha \beta}.
  3. Primera identidad de Bianchi: R_{\alpha[\beta\gamma\delta]} = R_{\alpha\beta\gamma\delta} + R_{\alpha\gamma\delta\beta} + R_{\alpha\delta\beta\gamma} = 0.
  4. Segunda identidad de Bianchi:R_{\alpha\beta[\gamma\delta;\epsilon]} = R_{\alpha\beta\gamma\delta;\epsilon} + R_{\alpha\beta\delta\epsilon;\gamma} + R_{\alpha\beta\epsilon\gamma;\delta} = 0.

El tensor de energia-momento describe la densidad de energia, la densidad de momento y el flujo de momento de un campo de materia:

T^{00} = densidad de energía.

T^{0i} = densidad de momento.

T^{ij} = flujo de momento i a través de la superficie j.

Las identidades de Bianchi son muy importantes porque nos llevan a:

G^{\mu \nu}\,_{;\nu} = 0 \Rightarrow T^{\mu \nu}\,_{;\nu} = 0

que son las cuatro ecuaciones que representan la conservación local de la energía y del momento (la perdida de energía y momento en una región se compensa con el flujo de energía y momento fuera de esa región) donde ; indica la derivada covariante.

agosto 2017
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