RG - ANNEXE I


Analyse vectorielle dans 3 ℝ^3

• Pour l'analyse vectorielle dans 3 ℝ^3  , un grand nombre de relations usuelles peuvent se déduire simplement à l'aide des expressions :
εijk εk𝓁m = δ𝓁i δmj δmi δ𝓁j ε^{ijk} \: ε_{k𝓁m}=δ_𝓁^i \: δ_m^j-δ_m^i \: δ_𝓁^j   (qu'on peut noter ε𝓁mij ε_{𝓁m}^{ij} )  ;
εijk εjk𝓁 = 2 δli ε^{ijk} \: ε_{jk𝓁}=2 \,δ_l^i    ;    εijk εijk = 6 ε^{ijk} \: ε_{ijk}=6 .

Deux relations sont toutefois moins faciles à déduire :
( A B ) = ( A ) B + A × ( × B ) + ( B ) A + B × ( × A ) \overset{→}{∇}\left(\overset{→}{A}∙\overset{→}{B}\, \right) =\left(\overset{→}{A}∙\overset{→}{∇} \, \right) \:\overset{→}{B} +\overset{→}{A} × \left(\overset{→}{∇} ×\overset{→}{B} \,\right) +\left(\overset{→}{B}∙\overset{→}{∇} \, \right) \:\overset{→}{A} +\overset{→}{B} × \left(\overset{→}{∇} ×\overset{→}{A} \,\right)   ;
A = ( A ) × ( × A ) ∆\overset{→}{A}=\overset{→}{∇}\left(\overset{→}{∇}∙\overset{→}{A}\, \right) -\overset{→}{∇} × \left(\overset{→}{∇} ×\overset{→}{A} \, \right) .

• Pour les intégrales de surface, on utilise généralement   dSi* = 12 εijk dSjk {dS}_i^{*}=\frac{1}{2} \: ε_{ijk} \:{dS}^{jk}    avec   dSjk = dxj dxk {dS}^{jk}={dx}^j∧\,{dx}^k .

◊ remarque : ceci correspond à utiliser un “vecteur surface” (pour simplifier noté   dS \overset{⟶}{dS}    et non   dS* \overset{⟶}{dS}^{*} )  orthogonal à l'élément de surface.

• Le théorème d'Ostrogradski décrit alors la correspondance :

Généralisation dans un 4-espace “quelconque”

• Le déterminant  A A   d'une matrice (tel que   εαβγδ Aαμ Aβν Aγρ Aδσ = A εμνρσ ε^{αβγδ} \: A_{αμ} \: A_{βν} \:A_{γρ} \: A_{δσ}=A \:ε_{μνρσ} )  est invariant dans les changements de repère cartésiens. En coordonnées curvilignes par contre,   εαβγδ ε^{αβγδ}   et   εμνρσ ε_{μνρσ}   ne sont pas des tenseurs ; on se propose de chercher les tenseurs   αβγδ ℰ^{αβγδ}   et   μνρσ ℰ_{μνρσ}   tenant un rôle correspondant.

Partant d'un espace plat où la métrique est   ημν η_{μν} ,  on peut effectuer un changement de repère tel que :   xβ x_α x^β→\underline{x}^α   ;   dx_α = βx_α dxβ d\underline{x}^α=∂_β \underline{x}^α\: {dx}^β   ;   dxβ = _αxβ dx_α {dx}^β=\underline{∂}_α x^β \:d\underline{x}^α .  Alors Aμν A_{μν} se transforme en  A_μν = _μxα _νxβ Aαβ \underline{A}_{μν}=\underline{∂}_μ x^α \: \underline{∂}_ν x^β \: A_{αβ}  ;  ainsi A A se transforme en   A_ = AJ2 \displaystyle \underline{A}=\frac{A}{J^2}    où   J= det ( β x_α ) J=\mathrm{det}\left(∂_β \underline{x}^α \right)   est le jacobien de la transformation. En particulier la nouvelle métrique  gμν g_{μν} est telle que   g=1J2 \displaystyle g=-\frac{1}{J^2}   ;  en supposant qu'on se limite à des transformations ne retournant pas l'orientation, on peut écrire   J= 1 |g| \displaystyle J=\frac{1}{\sqrt{|g|}} .

De façon analogue  εαβγδ ε^{αβγδ}  et  εμνρσ ε_{μνρσ}  deviennent donc : 
αβγδ = μx_α νx_β ρx_γ σx_δ εμνρσ = J εαβγδ = 1 |g| εαβγδ \displaystyle ℰ^{αβγδ}=∂_μ \underline{x}^α \: ∂_ν \underline{x}^β \: ∂_ρ \underline{x}^γ \: ∂_σ \underline{x}^δ \: ε^{μνρσ}=J\:ε^{αβγδ}=\frac{1}{\sqrt{|g|}} \: ε^{αβγδ}  ;
μνρσ = _μxα _νxβ _ρxγ _σxδ εαβγδ =1J εμνρσ = |g| εμνρσ \displaystyle ℰ_{μνρσ}=\underline{∂}_μ x^α \: \underline{∂}_ν x^β \:\underline{∂}_ρ x^γ \: \underline{∂}_σ x^δ \: ε_{αβγδ}=\frac{1}{J} \: ε_{μνρσ}=\sqrt{|g|} \; ε_{μνρσ} .

• Il faut toutefois noter que le comportement n'est pas totalement celui de tenseurs ; ainsi en “abaissant les indices”, on obtient :
ηαμ ηβν ηγρ ηδσ εαβγδ = εμνρσ η_{αμ} \: η_{βν} \: η_{γρ} \: η_{δσ} \: ε^{αβγδ}=- ε_{μνρσ}  ;
gαμ gβν gγρ gδσ εαβγδ = μνρσ g_{αμ} \: g_{βν} \: g_{γρ} \: g_{δσ} \: ε^{αβγδ}=- ℰ_{μνρσ} .

• D'autre part, l'élément d'intégration   d4x = dx0 dx1 dx2 dx3 d^4 x=dx^0 \: dx^1 \: dx^2 \: dx^3   se transforme en  1J d4x_ = 1J dx_0 dx_1 dx_2 dx_3 \displaystyle \frac{1}{J} \: d^4 \underline{x}=\frac{1}{J} \: d\underline{x}^0 \: d\underline{x}^1 \: d\underline{x}^2 \: d\underline{x}^3  ;  l'élément d'intégration invariant est donc :  d4𝒱 = |g| d4x_ d^4 𝒱=\sqrt{|g|} \; d^4 \underline{x} .

Il est de ce fait aussi plus pratique de remplacer la distribution  δ4 (Xα) δ^4 \left(X^α \right)  par   δ˜4 (X_α) = 1 |g| δ4 (X_α) \displaystyle \tilde{δ} ^4 \left(\underline{X}^α \right)=\frac{1}{\sqrt{|g|}} \: δ^4 \left(\underline{X}^α \right)  telle que  δ˜4 (X_α) d4𝒱 = δ4 (X_α) d4x_ \tilde{δ}^4 \left(\underline{X}^α \right) \: d^4 𝒱 =δ^4 \left(\underline{X}^α \right) \: d^4 \underline{x} .

• Si on souhaite séparer l'intégration temporelle, on peut utiliser le temps local  dt𝓁oc = g00 dt {dt}_{𝓁oc}=\sqrt{g_{00}} \:\: dt  et l'intégration spatiale selon  d3𝒱 = d3x_ d^3 𝒱=\sqrt{ℊ} \:\: d^3 \underline{x} ,  d'après la métrique spatiale :  d𝓁2 = ij dxi dxj {d𝓁}^2=ℊ_{ij} \: {dx}^i \: {dx}^j  avec  ij = g0i g0j g00 gij \displaystyle ℊ_{ij}=\frac{g_{0i} \: g_{0j}}{g_{00}} -g_{ij}  telle que   gij jk = δki g^{ij} \: ℊ_{jk}=δ_k^i  (donc l'inverse de la partie spatiale  gij = ij g^{ij}=ℊ^{ij} ).

Ainsi  d4𝒱=c dt𝓁oc d3𝒱 d^4 𝒱=c \,{dt}_{𝓁oc} \: d^3 𝒱  ;  il est alors de même plus pratique de remplacer la distribution  δ3 (Xi) δ^3 \left(X^i \right)  par  δ˜3 (X_i) = 1 δ3 (X_i) \displaystyle \tilde{δ}^3 \left(\underline{X}^i \right) =\frac{1}{\sqrt{ℊ}} \: δ^3 \left(\underline{X}^i \right) .

• Les notations de l'analyse vectorielle peuvent se généraliser :
αβγδ δμνρ = εαβγδ εδμνρ = εμνρ αβγ ℰ^{αβγδ} \: ℰ_{δμνρ}=ε^{αβγδ} \: ε_{δμνρ}=ε_{μνρ}^{αβγ}  ;   αβγδ γδμν = εαβγδ εγδμν = 2 εμν αβ ℰ^{αβγδ} \: ℰ_{γδμν}=ε^{αβγδ} \: ε_{γδμν}=2 \:ε_{μν}^{αβ}   ;
αβγδ βγδμ = εαβγδ εβγδμ = 6 δμα ℰ^{αβγδ} \: ℰ_{βγδμ}=ε^{αβγδ} \: ε_{βγδμ}=6 \:δ_μ^α  ;   αβγδ αβγδ = εαβγδ εαβγδ =24 ℰ^{αβγδ} \: ℰ_{αβγδ}=ε^{αβγδ} \: ε_{αβγδ}=24 .

• Pour les intégrales de surface, on utilise généralement   dSαβ* = 12 εαβμν dSμν {dS}_{αβ}^{*}=\frac{1}{2} \: ε_{αβμν} \: {dS}^{μν}    avec   dSμν = dxμ dxν {dS}^{μν}={dx}^μ\,∧\:{dx}^ν  ;  la quantité invariante est  dS αβ* = 12 αβμν dSμν \sqrt{ℊ} \: {dS}_{αβ}^{*}=\frac{1}{2}\, ℰ_{αβμν} \: {dS}^{μν} .

◊ remarque : dans 4 ℝ^4 on ne peut pas omettre le symbole “dual”  * ⬚^{*} .

• Le théorème d'Ostrogradski décrit alors par exemple la correspondance :