В самом названии скалярного произведения стоит слово, намекающее на то, что результатом является скаляр. Но так ли это, попробуем разобраться.
Будем оставаться в рамках классики, когда скалярным произведением двух векторов называется конструкция
S(a,b)=axbx+ayby+azbz
Сами объекты a и b являются векторами, а, следовательно, представимы в рамках матричной алгебры матрицей из одного столбца:
a=(axayaz)b=(bxbybz)
Соответственно, скалярное произведение таких векторов есть произведение матриц:
S(a,b)=aTb
Но произведение матриц есть также матрица, значит в результате мы молучаем также матрицу, но размера 1×1.Уже этот факт наводит на мысль, что вообще-то это может оказаться и не скаляром. Например, для умножения его на еще один вектор нужно использовать не операцию произведения скаляра на вектор, а операцию тензорного произведения матриц. То есть матрицы 1×1 на матрицу 1×3. В результате которого получается матрица 1×3.
Либо необходимо вводить в определение такого скалярного произведения дополнительно взятие следа матрицы:
S(a,b)=tr(aTb)
Может быть любопытным, что само произведение матриц дает матрицу коэффициенты которой есть скалярное произведение соответствующей строки из левой матрицы на соответствующую колонку из правой матрицы.
Снова вернемся к выражению скалярного произведения, данного в начале. На входе у нас два вектора. На выходе величина, составленная из произведений компонент векторов. Следовательно, при преобразованиях системы координат выходная величина также преобразуется как преобразуются произведения компонент векторов. А это уже по определению соответствует определению тензора. Следовательно, результат скалярного произведения есть тензор. И преобразуется как тензор.
Снова поднимем градус. Положим, что оба вектора a и b - полярные. Следовательно, при смене ориентирования системы координат с правой на левую (или обратно) они не меняют знак. Следовательно, и их скалярное произведение не меняет значение.
Положим, что оба вектора a и b аксиальные (например, угловые скорости). При смене ориентирования системы координат они оба меняют знак. Следовательно, скалярное произведение не меняет значения.
Положим, что один из векторов полярный, а второй аксиальный. Например, линейная и угловая скорости. При смене ориентирования системы координат лишь один из них сменит снак. Следовательно, скалярное произведение сменит знак при смене ориентирования системы координат. Следовательно, в этом случае результатом является псевдоскаляр.
Таким образом, если аргументы скалярного произведения есть объекты одной природы, то результатом действительно является скаляр. Но если разной - то все сложнее. Что касается школьного уровня, скажем вычислить квадрат модуля вектора в виде скалярного произведения вектора самого на себя, то тут не стоит беспокоиться.
Взятие скалярного произведения полярного и аксиального векторов не такая уж странная операция. И одной из простых иллюстраций, что результатом скалярного произведения является как-бы не совсем скаляр, является объем в 3-мерном пространстве. Положим, что у нас 3 вектора в 3-мерном пространстве:
a=(axayaz)b=(bxbybz)c=(cxcycz)
В качестве основания элемента объема, который они образуют, выберем площадку натянутую на векторы b и c. Она вычисляется как векторное произведение
|ijkbxbybzcxcycz|
И имеет направление. Да, у этой площадки есть направление и она является аксиальным вектором. И направлена как раз очень удобно, перпендикулярно самой площади, векторам b и c и любой линейной комбинации из них.
А объем строится уже как скалярное произведение вектора a на вектор этой площади:
V=|axayazbxbybzcxcycz|
И вот, поскольку площадь является аксиальным вектором (точнее говоря, это аксиальный вектор образованный как тензор), то скалярное произведение её на полярный вектор a является псевдоскаляром.
Положим, что у нас есть банка в 3 литра, с водой. Если мы меняем ориентирование системы координат, что объем меняет знак. Было 3 литра, стало -3 литра. Но масса - скаляр. Плотность - тоже скаляр. Поэтому физический объем тоже должен быть скаляром. Поэтому, чтобы отличить физический объем от полученного нами, используют отдельный термин - ориентированный объем. Вот именно ориентированный объем и является псевдоскаляром.
Комментариев нет:
Отправить комментарий