大学数学基礎解説

Levi-Civita 記号で楽しいベクトル解析ライフを送ろう

ベクトル解析

1068

はじめに

この記事ではアインシュタインの和の規約を用いることがあります．逆に，あえて明示的に書くこともあります．

(ap2020の方々へ)これは数学演習第9回の大問1の解説になってます．

Levi-Civita 記号の縮約公式

一応定義から…

Levi-Civita 記号

$ϵ_{i j k} = {\begin{cases} 1 & ((i, j, k) = (1, 2, 3), (2, 3, 1), (3, 1, 2)) \\ - 1 & ((i, j, k) = (1, 3, 2), (3, 2, 1), (2, 1, 3)) \\ 0 & (o t h e r w i s e) \end{cases}$

これを使うと，三次元ベクトルの外積は $A \times B = ϵ_{i j k} e_{i} A_{j} B_{k}$ と書ける．また，定義より $ϵ_{i j k} = ϵ_{j k i} = ϵ_{k i j} = - ϵ_{i k j} = - ϵ_{k j i} = - ϵ_{j i k}$ (添字の付け替え)が成り立つ．

Kronecker のデルタ

$δ_{i j} = {\begin{cases} 1 & (i = j) \\ 0 & (i \neq j)) \end{cases}$

$i, j, k, l, m, m$ は $1, 2, 3$ のいずれかの値を取るとする．
$\begin{aligned} ϵ_{i j k} ϵ_{l m n} & = δ_{i l} δ_{j m} δ_{k n} + δ_{i m} δ_{j n} δ_{k l} + δ_{i n} δ_{j l} δ_{k m} - δ_{i l} δ_{j n} δ_{k m} - δ_{i n} δ_{j m} δ_{k l} - δ_{i m} δ_{j l} δ_{k n} \\ = | \begin{array}{ccc} δ_{i l} & δ_{i m} & δ_{i n} \\ δ_{j l} & δ_{j m} & δ_{j n} \\ δ_{k j} & δ_{k m} & δ_{k n} \end{array} | \end{aligned}$

$e_{i} (i = 1, 2, 3)$ を $x, y, z$ 軸方向の単位(たて)ベクトルとすると， $e_{i} \times e_{j} = ϵ_{i j k} e_{k}$ が成り立つ．したがって $ϵ_{i j k} = (e_{i} \times e_{j}) \cdot e_{k}$ とスカラー三重積の形で表すことができる．これを用いると，

$\begin{aligned} ϵ_{i j k} ϵ_{l m n} & = [(e_{i} \times e_{j}) \cdot e_{k}] [(e_{l} \times e_{m}) \cdot e_{n}] \\ = | \begin{array}{ccc} e_{i}^{T} \\ e_{j}^{T} \\ e_{k}^{T} \end{array} | | \begin{array}{ccc} e_{l} & e_{m} & e_{n} \end{array} | \\ = | \begin{array}{ccc} δ_{i l} & δ_{i m} & δ_{i n} \\ δ_{j l} & δ_{j m} & δ_{j n} \\ δ_{k j} & δ_{k m} & δ_{k n} \end{array} | \end{aligned}$

これをそのまま使うことはほぼなく，次の形で使うことが多い．

$\sum_{m = 1}^{3} ϵ_{m i j} ϵ_{m k l} = δ_{i k} δ_{j l} - δ_{i l} δ_{j k}$

$\sum_{m = 1}^{3} \sum_{n = 1}^{3} ϵ_{m n i} ϵ_{m n j} = 2 δ_{i j}$

$\begin{aligned} ϵ_{m i j} ϵ_{m k l} & = | \begin{array}{ccc} δ_{m m} & δ_{m k} & δ_{m l} \\ δ_{i m} & δ_{i k} & δ_{i l} \\ δ_{j m} & δ_{j k} & δ_{j l} \end{array} | \\ = \sum_{m = 1}^{3} δ_{m m} | \begin{array}{ccc} δ_{i k} & δ_{i l} \\ δ_{j k} & δ_{j l} \end{array} | - \sum_{m = 1}^{3} δ_{i m} | \begin{array}{ccc} δ_{m k} & δ_{m l} \\ δ_{j k} & δ_{j l} \end{array} | + \sum_{m = 1}^{3} δ_{j m} | \begin{array}{ccc} δ_{m k} & δ_{m l} \\ δ_{i k} & δ_{i l} \end{array} | \\ = 3 | \begin{array}{ccc} δ_{i k} & δ_{i l} \\ δ_{j k} & δ_{j l} \end{array} | - | \begin{array}{ccc} δ_{i k} & δ_{i l} \\ δ_{j k} & δ_{j l} \end{array} | + | \begin{array}{ccc} δ_{j k} & δ_{m l} \\ δ_{i k} & δ_{i l} \end{array} | \\ = | \begin{array}{ccc} δ_{i k} & δ_{i l} \\ δ_{j k} & δ_{j l} \end{array} | \\ = δ_{i k} δ_{j l} - δ_{i l} δ_{j k} \end{aligned}$

$\begin{aligned} ϵ_{m n i} ϵ_{m n j} & = | \begin{array}{ccc} δ_{m m} & δ_{m n} & δ_{m j} \\ δ_{n m} & δ_{n n} & δ_{n l} \\ δ_{i m} & δ_{i n} & δ_{i j} \end{array} | \\ = \sum_{m, n = 1}^{3} δ_{m m} | \begin{array}{ccc} δ_{n n} & δ_{n j} \\ δ_{i n} & δ_{i j} \end{array} | - \sum_{m, n = 1}^{3} δ_{n m} | \begin{array}{ccc} δ_{m n} & δ_{m j} \\ δ_{i n} & δ_{i j} \end{array} | + \sum_{m, n = 1}^{3} δ_{i m} | \begin{array}{ccc} δ_{m n} & δ_{m j} \\ δ_{n n} & δ_{n j} \end{array} | \\ = \sum_{n = 1}^{3} 3 (δ_{n n} δ_{i j} - δ_{i n} δ_{n j}) - \sum_{n = 1}^{3} (δ_{n n} δ_{i j} - δ_{i n} δ_{n j}) + \sum_{n = 1}^{3} (δ_{i n} δ_{n j} - δ_{n n} δ_{i j}) \\ = \sum_{n = 1}^{3} (δ_{n n} δ_{i j} - δ_{i n} δ_{n j}) \\ = 3 δ_{i j} - δ_{i j} \\ = 2 δ_{i j} \end{aligned}$

気持ち

どんな時に左辺が非ゼロになるのかを考えるとわかりやすいと思います．
公式2の場合を考えると，左辺は $m \neq i \neq j \neq m$ ，かつ $m \neq k \neq l \neq m$ でないと値はゼロになってしまいます．この時，添字 $i, j, k, l$ が取りうる値は2通りしかないので $i = m$ かつ $j = l$ ，または $i = l$ かつ $j = m$ しかあり得ません．添字の巡回性から，前者は置換の符号が一致するため $+ 1$ ，後者は一致しないため $- 1$ を与えます．このことをKroneckerのデルタで表現すると公式2の右辺になります．

上の証明では明示的に $\sum$ を書いたので混乱はないと思われるが，一行目の行列式の
「 $δ_{m m}$ 」を「 $1$ 」と書いてしまうとミスってしまう．

Levi-Civita 記号を使ってベクトル解析

ベクトル解析では様々な公式が登場するが，これらの記号を上手く使いこなすことができれば非常にスマートに示すことができる．

$\nabla \cdot (A \times B) = B \cdot (\nabla \times A) - A \cdot (\nabla \times B)$ を示せ．

$\begin{aligned} \nabla \cdot (A \times b) & = ϵ_{i j k} \partial_{i} A_{j} B_{k} \\ = ϵ_{i j k} B_{k} \partial_{i} A_{j} + ϵ_{i j k} A_{j} \partial_{i} B_{k} \\ = ϵ_{i j k} B_{i} \partial_{j} A_{k} - ϵ_{i j k} A_{i} \partial_{j} B_{k} \\ = B \cdot (\nabla \times A) - A \cdot (\nabla \times B) \end{aligned}$

$\nabla \times (A \times B) = (B \cdot \nabla) A - (A \cdot \nabla) B + A (\nabla \cdot B) - B (\nabla \cdot A)$ を示せ．

$\begin{aligned} [\nabla \times (A \times B)]_{i} & = ϵ_{i j k} \partial_{j} (A \times B)_{k} \\ = ϵ_{i j k} ϵ_{k l m} \partial_{j} A_{l} B_{m} \\ = (δ_{i l} δ_{j m} - δ_{i m} δ_{j l}) (B_{m} \partial_{j} A_{l} + A_{l} \partial_{j} B_{m}) \\ = B_{j} \partial_{j} A_{i} - A_{j} \partial_{j} B_{i} + A_{i} \partial_{j} B_{j} - B_{i} \partial_{j} A_{j} \\ = [(B \cdot \nabla) A - (A \cdot \nabla) B + A (\nabla \cdot B) - B (\nabla \cdot A)]_{i} \end{aligned}$

Levi-Civita 記号は添字を巡回的に付け替えても良いことに注意．

すっごく簡単に示せました！最高！

これを使うと大体のベクトル解析の公式は示せると思うのですが，次の問題だけはスマートなやり方が思い浮かばない…

$\nabla (A \cdot B) = (A \cdot \nabla) B + (B \cdot \nabla) A + A \times (\nabla \times B) + B \times (\nabla \times A)$ を示せ．

右辺をゴリゴリやって左辺に一致するのを見るのは非常に簡単です．
$\begin{aligned} [(A \cdot \nabla) B + (B \cdot \nabla) A + A \times (\nabla \times B) + B \times (\nabla \times A)]_{i} \\ = A_{j} \partial_{j} B_{i} + B_{j} \partial_{j} A_{i} + ϵ_{i j k} ϵ_{k l m} (A_{j} \partial_{l} B_{m} + B_{j} \partial_{l} A_{m}) \\ = A_{j} \partial_{j} B_{i} + B_{j} \partial_{j} A_{i} + (δ_{i l} δ_{j m} - δ_{i m} δ_{j l}) (A_{j} \partial_{l} B_{m} + B_{j} \partial_{l} A_{m}) \\ = A_{j} \partial_{i} B_{j} + B_{j} \partial_{i} A_{j} = \partial_{i} (A_{j} B_{j}) = [\nabla (A \cdot B)]_{i} \end{aligned}$