Nézzük, hogyan lehet levezetni a kovariáns differenciál és konnexió összefüggés prototípusát.
A második lapon röviden leírtam az általános koordináta-transzformáció transzformációelméleti vonatkozásait:
viewtopic.php?f=9&t=269&start=18
Induljunk ki a összefüggésből.
Ez az összefüggés transzformálja a felsőindexes vektorokat koordináta-rendszerből (tekintsük ezt bázisnak) koordináta-rendszerbe (tekintsük ezt tetszőlegesnek az előbbihez képest). (Használhatnék a transzformáció alapján egy véges tetszőleges vektort (vektormezőt), de most direkt a prototípus vektorral dolgozok, mert ez az alapvető.) Minden pontban a lineáris transzformáció mátrix tartalmazza differenciális eltérését -tól. Más szóval az adott pontban a két koordinátázásból adódó két érintőtér koordinátavonalai irányhelyzetének, és léptékének eltérését. Ha az adott pontban nincs ilyen eltérés, azaz a megfelelő koordinátavonalak egybeesnek, és azonos léptékűek, akkor . (Az előbbi kék színű pár szó lemaradt, és utólag írtam hozzá.)
Alkalmazzuk a transzformációs összefüggésre a differenciálképző operátort:
(Ez nyilván a differenciálható sokaságon való kis odébb lépésből eredhet csak. A függvény annyira tetszőleges, hogy azért valamiképp értelmes, vagy értelmezhető legyen. Ez mellett nyilván is áll.)
. Felhasználva az összefüggést, adódik:
.
A baloldal a vektornak a teljes megváltozása () egy tetszőleges koordináta-rendszerben felírva. A jobboldal első tagja csak (-nek -tól való) differenciális eltérésének változásától () függő járulék. Ha nincs (differenciális) eltérésváltozás, akkor ez a koefficiens, és vele együtt ez a tag nulla. Következésképpen az utolsó tag csakis a vektormező saját, azaz a koordináta-rendszer választásától független megváltozását jelenti. Tehát ez vektor, ami -beni, és egy a koordináta-rendszer felőli transzformációs alakú formula. Jelöljük ezt a kovariáns differenciált operátorral:
.
Ezzel analóg a koordináta-rendszer felőli transzformációs alakú formula, azaz inverz alak, ami -ban jelent vektort:
(Egyszerűen csak a vesszős koordináták helyett vesszőtleneket írunk, és fordítva, ahogy a transzformációelméletben is áttértünk az inverz alakra.)
.
Egy tetszőlegesen adott prototípus vektormező értékének kovariáns differenciális változása bár a koordináta-rendszeren történő odébb lépésből derül ki, de így ez a differenciál már nem tartalmazza a koordinátázásból adódó nyúlást, rövidülést, elcsavarodást (elfordulást), azaz csak a vektormező sajátosságait fejezik ki. A fizikai matematika megkívánja koordinátázástól független (), de mégis a sokaságon felmért lépték szerinti derivált megadását, ezért ez a differenciál fontos. ()
Visszatérve az egyenlethez, szorozzuk azt be a koordinátatranszformáció mátrixának inverzével, azaz -vel:
.
Baloldalt azonnal feltűnik a kovariáns differenciál, miközben az jobboldalt teljes differenciálra vált:
. A Kronecker delta bevihető a operátor alá, mert konstans.
.
.
A jobboldal első tagjában bevezetve a Christoffel-féle szimbólumokat:
. Jelölés egyszerűsítésként a zárójelek elhagyhatók:
. Készen is vagyunk. Ez a kovariáns differenciál és konnexió prototípusa.
A prototípus vektor helyett tetszőleges vektort írva, és persze ennek megfelelően a középső tagban is az egyik -et -ra átírva:
, ahol a konnexiót jelenti.
(Landau könyv (85,1) és (85,2))
