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ビアンキ恒等式を、ひたすら計算で示す。

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この記事について

この記事は、人に見せるというよりも自分の計算を整理するために書いたようなものなので、人に読んでもらうということを全く考えていません。本を読んでてビアンキ恒等式が証明なしに出てきて、それを自分で何とか示したので、記録として残しておきたくなったのです。メモ程度のものだと思ってください。それでも読みたいという方がいらっしゃったら、ぜひ読んであげてください。

前提

数式にはアインシュタインの規約を用いる.
 δ:クロネッカーのデルタ, g:計量, Γ:接続, R:曲率, :共変微分
Γνλμ=Γλνμλgμν=0Γνλμ=12gμκ(λgκν+νgκλκgλν)Rμνλκ=12(νλgμκ+μκgνλμλgνκνκgμλ)+gητ(ΓμκηΓνλτΓμληΓνκτ)Rμνλκ=RλκμνRμνλκ=RνμλκRμνλκ=Rμνκλ

目標

λRμνκη+ηRμνλκ+κRμνηλ=0
を示します!!!!!

ひたすら計算して証明

λRμνκη+ηRμνλκ+κRμνηλ=B
とおく. B=0を示す.

B=λRμνκη+ηRμνλκ+κRμνηλ
=λRμνκηΓμλτRτνκηΓνλτRμτκηΓκλτRμντηΓηλτRμνκτ+ηRμνλκΓμητRτνλκΓνητRμτλκΓλητRμντκΓκητRμνλτ+κRμνηλΓμκτRτνηλΓνκτRμτηλΓηκτRμντλΓλκτRμνητ

=λRμνκηΓμλτRτνκηΓνλτRμτκη+ηRμνλκΓμητRτνλκΓνητRμτλκ+κRμνηλΓμκτRτνηλΓνκτRμτηλΓκλτ(Rμντη+Rμνητ)Γλητ(Rμντκ+Rμνκτ)Γηκτ(Rμντλ+Rμνλτ)

=λRμνκηΓμλτRτνκηΓνλτRμτκη+ηRμνλκΓμητRτνλκΓνητRμτλκ+κRμνηλΓμκτRτνηλΓνκτRμτηλ

次に,
λRμνκη

=λ(12(νκgμη+μηgνκμκgνηνηgμκ)+gτθ(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ))

=12(λνκgμη+λμηgνκλμκgνηλνηgμκ)+(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+gτθλ(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)
を用いると,
λRμνκη+ηRμνλκ+κRμνηλ

=12(λνκgμη+λμηgνκλμκgνηλνηgμκ)+12(ηνλgμκ+ημκgνλημλgνκηνκgμλ)+12(κνηgμλ+κμλgνηκμηgνλκνλgμη)+(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+gτθλ(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+gτθη(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθκ(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)

=(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+gτθλ(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+gτθη(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθκ(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)
よって,
B=(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+gτθλ(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+gτθη(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθκ(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)(ΓμλτRτνκη+ΓνλτRμτκη+ΓμητRτνλκ+ΓνητRμτλκ+ΓμκτRτνηλ+ΓνκτRμτηλ)
次に,
gτθλ(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+gτθη(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+gτθκ(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)
=gτθ(λΓμητ)Γνκθ+gτθΓμητ(λΓνκθ)gτθ(λΓμκτ)ΓνηθgτθΓμκτ(λΓνηθ)+gτθ(ηΓμκτ)Γνλθ+gτθΓμκτ(ηΓνλθ)gτθ(ηΓμλτ)ΓνκθgτθΓμλτ(ηΓνκθ)+gτθ(κΓμλτ)Γνηθ+gτθΓμλτ(κΓνηθ)gτθ(κΓμητ)ΓνλθgτθΓμητ(κΓνλθ)
=gτθΓνκθ(λΓμητηΓμλτ)+gτθΓνλθ(ηΓμκτκΓμητ)+gτθΓνηθ(κΓμλτλΓμκτ)+gτθΓμητ(λΓνκθκΓνλθ)+gτθΓμκτ(ηΓνλθλΓνηθ)+gτθΓμλτ(κΓνηθηΓνκθ)
となる. さらに,
gτθΓνκθ(λΓμητηΓμλτ)
=gτθΓνκθ(λ(gτϕgρϕΓμηρ)η(gτϕgρϕΓμλρ))
=gτθΓνκθ((λgτϕ)gρϕΓμηρ+gτϕλ(gρϕΓμηρ)(ηgτϕ)gρϕΓμλρgτϕη(gρϕΓμλρ))
=gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)+Γνκθδθϕ(λ(12(ηgϕμ+μgϕηϕgημ))η(12(λgϕμ+μgϕλϕgλμ)))
=gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)+12Γνκθ(λμgθη+ηθgλμλθgημημgθλ)
=gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)+Γνκθ(Rμθηλgτρ(ΓθητΓμλρΓμητΓθλρ))
=gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)+ΓνκτRμτηλgτρΓνκθ(ΓθητΓμλρΓμητΓθλρ)
以上より,
B
=(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθΓνκθ(λΓμητηΓμλτ)+gτθΓνλθ(ηΓμκτκΓμητ)+gτθΓνηθ(κΓμλτλΓμκτ)+gτθΓμητ(λΓνκθκΓνλθ)+gτθΓμκτ(ηΓνλθλΓνηθ)+gτθΓμλτ(κΓνηθηΓνκθ)(ΓμλτRτνκη+ΓνλτRμτκη+ΓμητRτνλκ+ΓνητRμτλκ+ΓμκτRτνηλ+ΓνκτRμτηλ)
=(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθΓνκθ(λΓμητηΓμλτ)ΓνκτRμτηλ+gτθΓνλθ(ηΓμκτκΓμητ)ΓνλτRμτκη+gτθΓνηθ(κΓμλτλΓμκτ)ΓνητRμτλκ+gτθΓμητ(λΓνκθκΓνλθ)ΓμητRτνλκ+gτθΓμκτ(ηΓνλθλΓνηθ)ΓμκτRτνηλ+gτθΓμλτ(κΓνηθηΓνκθ)ΓμλτRτνκη
=(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)gτρΓνκθ(ΓθητΓμλρΓμητΓθλρ)+gτθgρϕΓνλθ((ηgτϕ)Γμκρ(κgτϕ)Γμηρ)gτρΓνλθ(ΓθκτΓμηρΓμκτΓθηρ)+gτθgρϕΓνηθ((κgτϕ)Γμλρ(λgτϕ)Γμκρ)gτρΓνηθ(ΓθλτΓμκρΓμλτΓθκρ)+gτθgρϕΓμηθ((λgτϕ)Γνκρ(κgτϕ)Γνλρ)gτρΓμηθ(ΓθκτΓνλρΓνκτΓθλρ)+gτθgρϕΓμκθ((ηgτϕ)Γνλρ(λgτϕ)Γνηρ)gτρΓμκθ(ΓθλτΓνηρΓνλτΓθηρ)+gτθgρϕΓμλθ((κgτϕ)Γνηρ(ηgτϕ)Γνκρ)gτρΓμλθ(ΓθητΓνκρΓνητΓθκρ)
次に,
gτρΓνκθΓθητΓμλρ+gτρΓμλθΓθητΓνκρ
=ΓνκθΓμλρ(gτρΓθητ+gτθΓρητ)
=ΓνκθΓμλρ(ηgθρηgθρ)
=ΓνκθΓμλρηgθρ
を用いると,
gτρΓνκθ(ΓθητΓμλρΓμητΓθλρ)gτρΓνλθ(ΓθκτΓμηρΓμκτΓθηρ)gτρΓνηθ(ΓθλτΓμκρΓμλτΓθκρ)gτρΓμηθ(ΓθκτΓνλρΓνκτΓθλρ)gτρΓμκθ(ΓθλτΓνηρΓνλτΓθηρ)gτρΓμλθ(ΓθητΓνκρΓνητΓθκρ)
=(gτρΓνκθΓθητΓμλρ+gτρΓμλθΓθητΓνκρ)(gτρΓνλθΓθκτΓμηρ+gτρΓμηθΓθκτΓνλρ)(gτρΓνηθΓθλτΓμκρ+gτρΓμκθΓθλτΓνηρ)+(gτρΓνκθΓμητΓθλρ+gτρΓμηθΓνκτΓθλρ)+(gτρΓνλθΓμκτΓθηρ+gτρΓμκθΓνλτΓθηρ)+(gτρΓνηθΓμλτΓθκρ+gτρΓμλθΓνητΓθκρ)
=ΓνκθΓμλρηgθρΓνλθΓμηρκgθρΓνηθΓμκρλgθρ+ΓνκθΓμηρλgθρ+ΓνλθΓμκρηgθρ+ΓνηθΓμλρκgθρ
=(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)
したがって,
B
=2(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+2(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+2(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)+gτθgρϕΓνλθ((ηgτϕ)Γμκρ(κgτϕ)Γμηρ)+gτθgρϕΓνηθ((κgτϕ)Γμλρ(λgτϕ)Γμκρ)+gτθgρϕΓμηθ((λgτϕ)Γνκρ(κgτϕ)Γνλρ)+gτθgρϕΓμκθ((ηgτϕ)Γνλρ(λgτϕ)Γνηρ)+gτθgρϕΓμλθ((κgτϕ)Γνηρ(ηgτϕ)Γνκρ)
となる. 次に,
gτθgρϕΓμηθ((λgτϕ)Γνκρ(κgτϕ)Γνλρ)+gτθgρϕΓμκθ((ηgτϕ)Γνλρ(λgτϕ)Γνηρ)+gτθgρϕΓμλθ((κgτϕ)Γνηρ(ηgτϕ)Γνκρ)
=gτθgρϕΓμηθ(λgτϕ)ΓνκρgτθgρϕΓμηθ(κgτϕ)Γνλρ+gτθgρϕΓμκθ(ηgτϕ)ΓνλρgτθgρϕΓμκθ(λgτϕ)Γνηρ+gτθgρϕΓμλθ(κgτϕ)ΓνηρgτθgρϕΓμλθ(ηgτϕ)Γνκρ
=gτθgρϕΓνκρ((λgτϕ)Γμηθ(ηgτϕ)Γμλθ)+gτθgρϕΓνλρ((ηgτϕ)Γμκθ(κgτϕ)Γμηθ)+gτθgρϕΓνηρ((κgτϕ)Γμλθ(λgτϕ)Γμκθ)
より,
B
=2(λgτθ)(ΓμητΓνκθΓμκτΓνηθ)+2(ηgτθ)(ΓμκτΓνλθΓμλτΓνκθ)+2(κgτθ)(ΓμλτΓνηθΓμητΓνλθ)+2gτθgρϕΓνκθ((λgτϕ)Γμηρ(ηgτϕ)Γμλρ)+2gτθgρϕΓνλθ((ηgτϕ)Γμκρ(κgτϕ)Γμηρ)+2gτθgρϕΓνηθ((κgτϕ)Γμλρ(λgτϕ)Γμκρ)
最後に,
(λgτθ)ΓμητΓνκθ+gτθgρϕΓνκθ(λgτϕ)Γμηρ
=ΓμητΓνκθ(λgτθ+gρθgτϕ(λgρϕ))
=ΓμητΓνκθ(gρθgρϕ(λgτϕ)+gρθgτϕ(λgρϕ))
=ΓμητΓνκθgρθ(λδτρ)
=0
が成り立つので,
B
=2((λgτθ)ΓμητΓνκθ+gτθgρϕΓνκθ(λgτϕ)Γμηρ)+2((ηgτθ)ΓμκτΓνλθ+gτθgρϕΓνλθ(ηgτϕ)Γμκρ)+2((κgτθ)ΓμλτΓνηθ+gτθgρϕΓνηθ(κgτϕ)Γμλρ)2((λgτθ)ΓμκτΓνηθ+gτθgρϕΓνηθ(λgτϕ)Γμκρ)2((ηgτθ)ΓμλτΓνκθ+gτθgρϕΓνκθ(ηgτϕ)Γμλρ)2((κgτθ)ΓμητΓνλθ+gτθgρϕΓνλθ(κgτϕ)Γμηρ)
=0

以上より, B=0が示された!やったあ!

終わりに

もしこの記事をここまで読んでくださった方がいらっしゃったら、本当にありがとうございました!こんな記事にもなってない記事投稿して申し訳ございませんでした(土下座)!!!

投稿日:20201124
OptHub AI Competition

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