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G1 · 펜로즈 도식 입문 — 벡터 대수

부록 G · 출처: Kim–Oh–Kim, Boosting Vector Calculus with the Graphical Notation, Am. J. Phys. 89(2) (2021), arXiv:1911.00892 · J.-H. Kim 발표 "Re-presentation: Graphical Notations in Physics"

이 레슨이 끝나면 할 수 있는 계산
  1. 내적·외적·삼중곱을 상자·선·점의 그림으로 쓰고, 그림을 다시 지표식으로 읽기
  2. ε 점의 팔을 반시계로 읽어 부호를 정하고, 팔을 꼬거나 맞바꿀 때 부호 바꾸기
  3. 규칙 하나(H = X − ‖)로 BAC−CAB, $(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot(\mathbf C\times\mathbf D)$, 야코비 항등식을 한 줄에 얻기
  4. 거품 $-2$, 세타 $-6$ 같은 평면 그림의 값을 부호 실수 없이 쓰기
  5. 대칭 논증으로 답의 모양을 먼저 정하고 상수만 계산하기
  6. L07 7절의 지표 계산을 그림 한두 장으로 다시 풀기

0. 도입과 외워 둘 그림

발표의 요지. Kim은 표기를 "기호(signifier)"와 "그 뜻(signified)"의 짝으로 보고, 둘 사이의 간격을 SSS(signifier–signified separation)라고 부릅니다. 좋은 표기는 SSS가 작은 표기, 즉 기호의 모양이 뜻의 구조를 그대로 닮은 표기라는 것이 발표의 주장입니다. 지표식 $\varepsilon_{ijk}A_jB_k$에서는 "어느 지표가 어디로 이어지나"를 글자 맞추기로 따라가야 하지만, 그림에서는 그 연결이 실제 선으로 보입니다. 그래서 더미 지표 이름 짓기, 지표 순환시키기 같은 군더더기 단계가 사라집니다.

이 부록(G1–G7)을 쓰는 법
  1. 본문 레슨(L)을 먼저 공부합니다. 부록은 같은 계산을 더 빨리, 덜 틀리게 하는 도구입니다. 답안은 지금처럼 지표식이나 벡터식으로 쓰고, 그림은 종이 귀퉁이에서 답을 미리 얻거나 검산하는 데 씁니다.
  2. 각 레슨의 "이 표기로 빨라지는 Arfken 계산" 표(G1은 8절)에서 지금 공부하는 L 레슨의 절을 찾아, 그 부분만 읽어도 됩니다.
  3. 그림을 지표식으로 옮기는 규칙은 아래 표 하나뿐입니다. 막히면 이 표로 돌아와 지표식으로 확인합니다.
  4. G1(벡터 대수) → G2(미분) → G3(구면·회전)이 한 줄로 이어집니다. G4–G7은 행렬, 군론, 적분방정식, 열역학 편미분 같은 다른 주제를 다룹니다.

외워 둘 그림 (그림 ↔ 지표)

그림읽는 법
A i$A_i$. 상자 = 텐서, 선 하나 = 지표 하나. 열린 끝(자유 지표)에는 이름을 적습니다.
A B$A_iB_i=\mathbf A\cdot\mathbf B$. 이은 선 = 더하는 지표. 이름이 필요 없습니다.
i j$\delta_{ij}$. 상자 없는 맨 선입니다.
= 3$\delta_{ii}=3$. 닫힌 고리 하나는 3입니다.
i A B$\varepsilon_{ijk}A_jB_k=(\mathbf A\times\mathbf B)_i$. 검은 점 = ε. 점 둘레를 반시계로 읽은 순서(출력 → A → B)가 지표 순서입니다.
A B C$\varepsilon_{ijk}A_iB_jC_k=\mathbf A\cdot(\mathbf B\times\mathbf C)$.
T i j$T_{ij}$. 단자가 둘인 상자. 왼쪽 단자가 첫 지표입니다(G4와 같은 관례).
T$T_{ii}=\operatorname{tr}T$. 자기 두 단자를 이은 것입니다.

계산 규칙 요약

1. 상자와 선 — 벡터, 내적, δ, 고리

레시피 — 지표식을 그림으로 옮기기
  1. 텐서 하나를 상자 하나로 그리고, 지표 개수만큼 선을 붙입니다. 스칼라는 선이 없는 상자, 벡터는 선 하나, 행렬은 선 둘입니다.
  2. 두 번 나온(더하는) 지표는 두 단자를 잇는 선입니다. 이은 선에는 이름을 붙이지 않습니다.
  3. 한 번 나온(자유) 지표는 열린 끝입니다. 등식의 양변에서 열린 끝은 같은 자리, 같은 이름으로 둡니다.
  4. $\delta_{ij}$는 맨 선입니다. 그래서 $\delta_{ij}A_j=A_i$는 "선을 늘였다"일 뿐이고, $\delta_{ii}=3$은 닫힌 고리입니다.
  5. 값은 무엇이 무엇과 이어졌는지로만 정해집니다. 선을 구부리거나 상자를 옮겨도, 선끼리 교차해도 같습니다.
A i = A i
예제 1-1 (가) $\delta_{ij}A_iB_j$ (나) $\delta_{ij}T_{ji}$ (다) $\delta_{ii}\delta_{jj}$

(가) A의 선과 B의 선 사이에 맨 선 δ가 끼어 있습니다. 맨 선은 그냥 선이므로 A와 B를 이은 그림, 즉 $\mathbf A\cdot\mathbf B$입니다. 지표식으로는 $\delta_{ij}B_j=B_i$로 바꿔치기하는 단계인데, 그림에서는 아무 일도 하지 않습니다.

(나) $T_{ji}$의 두 단자가 맨 선 δ를 거쳐 서로 이어집니다. 자기 두 단자를 이은 그림이므로 $\operatorname{tr}T$입니다.

(다) 고리 두 개입니다. $3\times3=9$.

2. ε 점 — 외적, 삼중곱, 팔 꼬기(clank)

레시피
  1. ε은 팔이 셋인 검은 점입니다. 점 둘레를 반시계 방향으로 돌며 만나는 팔의 순서가 $\varepsilon_{ijk}$의 지표 순서입니다. 어느 팔에서 시작해도 됩니다($\varepsilon_{ijk}=\varepsilon_{jki}$).
  2. 외적 $\mathbf A\times\mathbf B$: 출력선을 위로 두고 왼쪽 아래 팔에 A, 오른쪽 아래 팔에 B를 붙입니다. 반시계로 읽으면 (출력, A, B)이므로 $\varepsilon_{ijk}A_jB_k$입니다.
  3. 스칼라 삼중곱은 점 하나에 상자 셋입니다. 그림을 통째로 돌려도 같은 그림이라 순환 대칭 $\mathbf A\cdot(\mathbf B\times\mathbf C)=\mathbf B\cdot(\mathbf C\times\mathbf A)$가 공짜입니다.
  4. clank: 한 점의 두 팔을 꼬면(맞바꾸면) 부호가 바뀝니다. 선끼리의 교차 자체는 공짜이지만, 점에서 팔이 떠나는 반시계 순서가 바뀌었으므로 −입니다.
  5. 같은 벡터가 한 점의 두 팔에 붙으면 0입니다. 두 팔을 꼬아도 같은 그림인데 clank로 부호가 바뀌어야 하므로 "자기 자신 = −자기 자신"입니다.
i A B = − i A B i A A = 0
왜 되나? (증명 스케치)

점의 값을 "팔이 떠나는 방향의 반시계 순서"로 정하면, 그림을 통째로 돌려도 순서는 순환만 합니다. $\varepsilon_{ijk}$는 순환해도 같으므로 그림을 돌려도 값이 같습니다. 그래서 그림의 값은 그리는 각도와 무관하게 잘 정해집니다.

두 팔을 꼬면 그 두 팔의 순서만 바뀝니다. 이것은 $\varepsilon_{ijk}$의 두 지표를 맞바꾼 것이라 $-1$입니다. 선끼리 교차하는 것 자체는 δ로 이은 것일 뿐이라 값을 바꾸지 않습니다. 거울에 비친 그림은 모든 점의 순서가 뒤집히므로 점 하나마다 $-1$이 붙습니다(점이 $n$개면 $(-1)^n$).

예제 2-1 외적의 반대칭과 삼중곱의 순환 (L07 예제 1-1·1-2의 수치로)

L07 예제 1-1에서 $\mathbf A=(2,-1,3)$, $\mathbf B=(1,4,-2)$이면 $\mathbf A\times\mathbf B=(-10,7,9)$입니다. 위의 clank 그림에서 꼰 그림은 B가 왼쪽 팔에 붙은 것과 같으므로 $\mathbf B\times\mathbf A=-(\mathbf A\times\mathbf B)=(10,-7,-9)$. 다시 계산할 필요가 없습니다.

L07 1절 레시피 3의 검산 "결과와 A의 내적이 0"은 그림으로 보면 같은 A가 한 점에 두 번 붙은 삼중곱 $\mathbf A\cdot(\mathbf A\times\mathbf B)$이라 자동으로 0입니다.

L07 예제 1-2에서 $\mathbf C=(0,1,1)$이고 $\mathbf A\cdot(\mathbf B\times\mathbf C)=16$이었습니다. 아래 첫 그림을 120° 돌린 것이 둘째·셋째 그림이므로 $\mathbf B\cdot(\mathbf C\times\mathbf A)=\mathbf C\cdot(\mathbf A\times\mathbf B)=16$입니다.

A B C = B C A = C A B

두 상자만 맞바꾸면 반시계 순서가 한 번 바뀌므로 $\mathbf A\cdot(\mathbf C\times\mathbf B)=-16$입니다.

A B C = − A C B

3. 유일한 비자명 규칙 H = X − ‖

레시피
  1. 두 점이 선 하나로 이어진 모양(H)을 찾습니다. 그림을 돌려서 가운데 선이 세로가 되게 하고, 위 점의 두 팔은 위로, 아래 점의 두 팔은 아래로 오게 합니다.
  2. H를 X − ‖로 바꿉니다. X는 엇갈려 잇기(왼쪽 위↔오른쪽 아래, 오른쪽 위↔왼쪽 아래), ‖는 같은 쪽끼리 잇기(왼쪽 위↔왼쪽 아래, 오른쪽 위↔오른쪽 아래)입니다. 외우는 법: 빼는 항은 가운데 선과 나란한 두 줄입니다.
  3. 남은 그림을 0절 표로 읽으면 끝입니다.
  4. 지표식으로는 $\varepsilon_{mji}\varepsilon_{klm}=\delta_{il}\delta_{jk}-\delta_{ik}\delta_{jl}$입니다. L07의 축약 공식 $\varepsilon_{kij}\varepsilon_{kmn}=\delta_{im}\delta_{jn}-\delta_{in}\delta_{jm}$과 같은 식인데, "공통 지표를 첫 자리로 순환" 단계가 그림에서는 필요 없습니다.
  5. 뒤집어 쓴 꼴 ‖ = X − H(선 교환)도 씁니다. 나란한 두 선을 "엇갈림 빼기 H"로 바꾸는 것으로, G2에서 $\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)$를 유도할 때 핵심입니다.
i j k l = i j k l − i j k l i j k l = i j k l − i j k l
왜 되나? (증명 스케치)

H 그림을 반시계로 읽습니다. 위 점은 (가운데 $m$, 오른쪽 위 $j$, 왼쪽 위 $i$) 순서라 $\varepsilon_{mji}$, 아래 점은 (왼쪽 아래 $k$, 오른쪽 아래 $l$, 가운데 $m$) 순서라 $\varepsilon_{klm}=\varepsilon_{mkl}$입니다. L07의 축약 공식(첫 지표가 같을 때)에 넣으면

$$\begin{aligned}\varepsilon_{mji}\varepsilon_{mkl}&=\delta_{jk}\delta_{il}-\delta_{jl}\delta_{ik}.\end{aligned}$$

첫 항 $\delta_{il}\delta_{jk}$는 왼쪽 위–오른쪽 아래, 오른쪽 위–왼쪽 아래를 잇는 X이고, 둘째 항 $\delta_{ik}\delta_{jl}$은 같은 쪽끼리 잇는 ‖입니다. 축약 공식 자체는 L07 7절의 경우 나누기(0이 아닌 경우가 셋뿐)로 확인합니다.

예제 3-1 BAC−CAB: $\mathbf A\times(\mathbf B\times\mathbf C)$

B×C 기계(아래 점)의 출력이 A×(…) 기계(위 점)로 들어갑니다. 가운데 선을 세로로 두면 정확히 H 모양이고, 네 모서리는 왼쪽 위 A, 오른쪽 위 출력 $i$, 왼쪽 아래 B, 오른쪽 아래 C입니다. 읽어서 확인합니다: 위 점은 (가운데, $i$, A) 순서라 $\varepsilon_{mia}A_a=(\mathbf A\times\cdots)_i$, 아래 점은 (B, C, 가운데) 순서라 $(\mathbf B\times\mathbf C)_m$입니다.

A i B C = A i B C − A i B C

X: A와 C가 이어지고 B의 선이 $i$로 나갑니다 → $B_i(\mathbf A\cdot\mathbf C)$. ‖: A와 B가 이어지고 C의 선이 $i$로 나갑니다 → $C_i(\mathbf A\cdot\mathbf B)$. 따라서

$$\begin{aligned}\mathbf A\times(\mathbf B\times\mathbf C)&=\mathbf B(\mathbf A\cdot\mathbf C)\\&\quad-\mathbf C(\mathbf A\cdot\mathbf B).\end{aligned}$$

"+를 받는 것은 출력과 엇갈린 자리(왼쪽 아래)의 B"라고 기억하면 됩니다. L07 예제 1-2의 수치($\mathbf A\cdot\mathbf C=2$, $\mathbf A\cdot\mathbf B=-8$)를 넣으면 $2\mathbf B+8\mathbf C=(2,16,4)$.

예제 3-2 거품과 세타

선 중간이 부푼 모양(두 점을 두 선으로 이은 것)을 거품이라 합니다. 거품은 선의 $-2$배이고, 거품의 두 끝을 이은 세타(두 점을 세 선으로 이은 것)는 $-6$입니다.

i j = −2 i j = −6

세타는 거품의 두 끝을 이은 것이므로 $-2\times(\text{고리})=-2\times3=-6$입니다.

왜 되나? (증명 스케치) — 거품을 H 규칙으로

H 그림의 오른쪽 두 끝을 이으면 거품이 됩니다. 같은 일을 X와 ‖에도 하면, X는 한 줄로 이어진 선(자기 자신과 한 번 교차할 뿐)이고, ‖는 선 하나 옆에 고리 하나가 생깁니다.

i j = i j − i j

따라서 거품 = 선 − 3·선 = −2·선입니다. 지표로는 $\varepsilon_{ikl}\varepsilon_{jkl}=2\delta_{ij}$의 $+2$와 부호가 다른데, 그 이유는 아래 경고 상자에 있습니다.

평면 부호 함정. 지표식에서는 $\varepsilon_{ikl}\varepsilon_{jkl}=+2\delta_{ij}$, $\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{ijk}=+6$인데, 평면에 그린 거품은 $-2$, 세타는 $-6$입니다. 지표식은 두 ε을 같은 순서로 읽지만, 두 점을 꼬지 않고 이으면 한쪽 점에서는 같은 선들이 반대 순서로 읽히기 때문입니다(마주 보는 두 점은 서로의 거울상). 지표식을 그림으로 옮길 때는 점마다 반시계로 읽어 맞춰 보고, 순서가 맞지 않으면 두 선을 한 번 꼬아 그립니다(6절).

4. 대칭 논증 — 끝의 개수로 답의 모양을 먼저 정하기

레시피 (상자 없이 맨 선과 ε 점만으로 된 그림)
  1. 자유 끝(열린 끝)의 개수를 셉니다.
  2. 1개 → 0. 2개 → $c\,\delta$(맨 선). 3개 → $c\,\varepsilon$(점 하나). 0개(닫힌 그림) → 그냥 수.
  3. 상수 $c$는 양변의 끝을 똑같이 이어서 값을 아는 그림으로 만든 뒤 비교해 구합니다.
  4. 예: 거품 = $c$·선. 두 끝을 이으면 왼쪽은 세타($-6$), 오른쪽은 고리($3c$). 따라서 $c=-2$. H 규칙 없이도 거품의 값이 나옵니다.
  5. 상자(벡터, 행렬)가 섞인 그림에는 그대로 쓰지 않습니다. 상자는 특정 방향을 가지므로 δ·ε 말고 다른 모양(예: $n_in_j$)이 나올 수 있습니다.
i = 0

위 그림은 자유 끝이 1개인 가장 간단한 예입니다(올챙이). 지표로는 $\varepsilon_{ijj}=0$이고, 대칭 논증으로도 바로 0입니다.

왜 되나? (증명 스케치)

δ와 ε만으로 만든 그림은 좌표축을 어떻게 돌려도 성분이 변하지 않는 텐서(회전 불변 텐서)입니다. 그런데 3차원에서 회전해도 변하지 않는 벡터는 0뿐이고(어느 방향을 가리켜도 돌리면 바뀌므로), 2지표 텐서는 $\delta$의 상수배뿐, 3지표 텐서는 $\varepsilon$의 상수배뿐입니다. 그래서 자유 끝 개수만 보면 답의 모양이 정해지고, 남는 것은 상수 하나입니다. 양변을 똑같이 닫으면 양변에 같은 일을 했으므로 등식이 유지되고, 상수가 나옵니다.

(엄밀하게는 "회전 불변 텐서는 δ와 ε의 곱의 합"이라는 정리가 필요하지만 생략합니다. 원문은 이 논증을 Schur 보조정리로 설명합니다.)

예제 4-1 점 셋으로 된 삼각형

점 세 개를 삼각형으로 잇고 각 점에서 바깥으로 끝 $i,j,k$를 냅니다. 자유 끝이 3개이므로 점 하나(같은 자리에 $i,j,k$)의 상수배입니다.

i j k = c i j k

상수를 구하려고 양변의 세 끝을 새 점 하나에 똑같이 이어 닫습니다. 왼쪽은 사면체 모양(점 넷이 서로 다 이어진 그림), 오른쪽은 세타가 됩니다. 아래 그림은 보기 좋게 다시 그린 것입니다(선을 늘이고 옮겼을 뿐 점마다 팔의 순서는 같음).

= c

사면체의 값은 $+6$입니다(연습 D2에서 H 규칙 한 번으로 구함). 세타는 $-6$이므로 $6=c\cdot(-6)$, 즉 $c=-1$: 삼각형 = −(점 하나). 지표식으로 확인할 수도 있습니다. 변 이름을 위–왼쪽 $a$, 아래 $b$, 오른쪽–위 $c$로 두고 점마다 반시계로 읽으면 $\varepsilon_{iac}\varepsilon_{jba}\varepsilon_{kcb}$이고, 직접 계산하면 $-\varepsilon_{ijk}$입니다.

5. 벡터 항등식을 그림으로

레시피
  1. 식에 외적이 둘 이상 있으면 그림을 그리고, 두 점을 잇는 선(가운데 선)을 찾습니다.
  2. 그 선에 H 규칙을 씁니다. 점이 셋 이상이면 어느 선에 쓸지 고를 수 있고, 다른 선을 고르면 같은 양의 다른 표현이 나옵니다. 둘을 같다고 놓으면 새 항등식이 생깁니다.
  3. 결과의 각 그림을 0절 표로 읽습니다.
예제 5-1 야코비 항등식 $\mathbf A\times(\mathbf B\times\mathbf C)+\mathbf B\times(\mathbf C\times\mathbf A)+\mathbf C\times(\mathbf A\times\mathbf B)=0$ A i B C + B i C A + C i A B = 0

세 H는 예제 3-1의 그림에서 상자 이름만 A→B→C→A로 돌린 것입니다. 각각을 X − ‖로 바꾸면

$$\begin{aligned}&\big[\mathbf B(\mathbf A\cdot\mathbf C)-\mathbf C(\mathbf A\cdot\mathbf B)\big]\\&+\big[\mathbf C(\mathbf B\cdot\mathbf A)-\mathbf A(\mathbf B\cdot\mathbf C)\big]\\&+\big[\mathbf A(\mathbf C\cdot\mathbf B)-\mathbf B(\mathbf C\cdot\mathbf A)\big]=0.\end{aligned}$$

첫 H의 X 그림(B가 출력, A–C 이음)과 셋째 H의 ‖ 그림(B가 출력, C–A 이음)이 같은 그림이라 지워집니다. 나머지 두 쌍도 같은 식으로 지워집니다.

예제 5-2 $\mathbf D\,(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C)$ 전개 — "D를 A, B, C 자리에 차례로 넣기" $$\begin{aligned}&\mathbf D\,(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C)\\&=\mathbf A\,(\mathbf D\cdot\mathbf B\times\mathbf C)\\&\quad+\mathbf B\,(\mathbf A\cdot\mathbf D\times\mathbf C)\\&\quad+\mathbf C\,(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf D).\end{aligned}$$ A B C D i = D B C A i + + A D C B i + A B D C i

그림으로 보면 외우기 쉽습니다: 옆에 매달린 상자 D가 점의 세 팔에 차례로 들어가고, 쫓겨난 상자가 그 자리에서 열린 끝을 받습니다. 부호는 모두 +입니다(팔의 자리가 그대로이므로).

유도. 점 셋짜리 나무 $(\mathbf B\times\mathbf C)\times(\mathbf A\times\mathbf D)$를 그립니다. 가운데 점과 왼쪽 점을 잇는 선 ①에 H 규칙(BAC−CAB)을 쓸 수도, 오른쪽 선 ②에 쓸 수도 있습니다.

i B C A D 1 2 $$\begin{aligned}\text{②: }&\mathbf A\big((\mathbf B\times\mathbf C)\cdot\mathbf D\big)\\&-\mathbf D\big((\mathbf B\times\mathbf C)\cdot\mathbf A\big),\\\text{①: }&\mathbf C\big(\mathbf B\cdot(\mathbf A\times\mathbf D)\big)\\&-\mathbf B\big(\mathbf C\cdot(\mathbf A\times\mathbf D)\big).\end{aligned}$$

두 식을 같다고 놓고 $\mathbf D(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C)$에 대해 풀면 위 전개가 됩니다(삼중곱을 순환시켜 모양만 맞춤: $\mathbf B\cdot(\mathbf A\times\mathbf D)=\mathbf A\cdot\mathbf D\times\mathbf B=-\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf D$ 등).

왜 되나? (증명 스케치) — 차원 논증

전개를 지표로 쓰면 $\delta_{id}\varepsilon_{abc}=\delta_{ia}\varepsilon_{dbc}+\delta_{ib}\varepsilon_{adc}+\delta_{ic}\varepsilon_{abd}$입니다. 좌변에서 우변을 뺀 양을 $Y$라 하면, $Y$는 $d,a,b,c$ 네 지표 중 어느 둘을 맞바꿔도 부호가 바뀝니다(네 항이 서로 자리를 바꾸며 부호가 바뀜). 그런데 3차원에서는 지표 값이 1, 2, 3뿐이라 네 지표가 모두 다를 수 없고, 두 지표가 같으면 "맞바꿔도 같고 부호는 바뀌어야" 하므로 $Y=0$입니다. 원문은 이것을 "3차원에서 선 넷을 반대칭화하면 0"이라는 그림 규칙으로 씁니다.

예제 5-3 $\mathbf n$에 수직인 성분만 남기는 사영자 ($|\mathbf n|=1$)

$-\mathbf n\times(\mathbf n\times\mathbf v)$는 $\mathbf v$에서 $\mathbf n$ 방향 성분을 뺀 것입니다. $\mathbf v$를 떼어 낸 2지표 그림은 왼쪽 위와 왼쪽 아래가 n인 H입니다.

− n i n j = i j − n i n j

−H = ‖ − X. ‖는 n–n 아령($\mathbf n\cdot\mathbf n=1$)과 맨 선이라 $\delta_{ij}$, X는 $n_in_j$입니다. 따라서 $P_{ij}=\delta_{ij}-n_in_j$. 그림으로 확인하는 두 성질:

6. L07 7절을 그림으로 다시 풀기

L07 7절의 지표 계산 레시피는 6단계입니다(성분 쓰기 → ε마다 새 지표 → 공통 지표 순환 → 축약 공식 → δ 바꿔치기 → 다시 읽기). 그림으로는 3·5단계가 사라지고, 2·4단계가 "그리기"와 "H 한 번"으로 줄어듭니다.

예제 6-1 (L07 예제 7-1을 그림으로) $\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{ijk}=6$과 BAC−CAB

(가) 두 점을 세 선으로 잇되, 두 점 모두 $(i,j,k)$를 반시계 순서로 읽어야 합니다. 꼬지 않고 그리면 마주 보는 점은 반대 순서가 되어 세타($-6$)입니다. 그래서 두 선을 한 번 꼬아 그리고, clank로 부호가 바뀌어 $+6$입니다.

= − = 6

(나) BAC−CAB는 예제 3-1의 H 한 장입니다. L07의 여러 줄 계산(순환 → 축약 → δ 두 번 → 다시 읽기)이 "X − ‖를 읽기" 한 번으로 줄었습니다.

예제 6-2 (L07 연습문제 F1·F2를 그림으로)

F1(가) $\delta_{ij}\delta_{jk}\delta_{ki}$: 맨 선 세 토막을 이어 붙이면 고리 하나 → 3.

j k i = = 3

F1(나) $\varepsilon_{ijk}\delta_{jk}$: 점의 두 팔을 이은 올챙이(4절 그림) → 0.

F2 $\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{mjk}$: 두 점을 두 선($j$, $k$)으로 이은 거품입니다. 두 점을 모두 $(i,j,k)$, $(m,j,k)$ 순서로 읽으려면 두 선을 꼬아야 하므로 $-(-2)=+2$: $2\delta_{im}$. L07처럼 "순환시켜 $\varepsilon_{jki}\varepsilon_{jkm}$으로 바꾸기"가 필요 없습니다.

i m = − i m = 2 i m
예제 6-3 (L07 연습문제 F4를 그림으로) $(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot(\mathbf C\times\mathbf D)$

A×B 기계를 180° 돌려 출력이 아래로 가게 하면 A가 오른쪽 위, B가 왼쪽 위에 옵니다(돌려도 값은 같음). 그 출력을 C×D 기계의 출력에 이으면 H입니다.

B A C D = B A C D − B A C D

X: B–D, A–C → $(\mathbf A\cdot\mathbf C)(\mathbf B\cdot\mathbf D)$. ‖: B–C, A–D → $(\mathbf A\cdot\mathbf D)(\mathbf B\cdot\mathbf C)$.

$$\begin{aligned}&(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot(\mathbf C\times\mathbf D)\\&=(\mathbf A\cdot\mathbf C)(\mathbf B\cdot\mathbf D)\\&\quad-(\mathbf A\cdot\mathbf D)(\mathbf B\cdot\mathbf C).\end{aligned}$$

$\mathbf C=\mathbf A$, $\mathbf D=\mathbf B$로 두면 L07 1절의 검산식 $|\mathbf A\times\mathbf B|^2=|\mathbf A|^2|\mathbf B|^2-(\mathbf A\cdot\mathbf B)^2$입니다.

7. 맛보기 — ε 두 개로 보는 3×3 행렬식 (L04)

L04 1절의 $\det A=\varepsilon_{ijk}a_{1i}a_{2j}a_{3k}$를 대칭인 꼴 $\det A=\frac16\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{lmn}a_{il}a_{jm}a_{kn}$로 쓰면, 위 점과 아래 점 사이에 행렬 상자 셋을 끼운 그림입니다. 두 점을 평면에서 마주 보게 그리면 6절과 같은 이유로 부호가 하나 붙습니다.

예제 7-1 행렬식 그림의 값 A A A = −6 det A

위 점은 (왼쪽, 가운데, 오른쪽) 순서, 아래 점은 (오른쪽, 가운데, 왼쪽) 순서로 읽히므로 그림의 값은 $\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{nml}a_{il}a_{jm}a_{kn}=-6\det A$입니다. L04 예제 1-1(b)의 행렬($\det A=-11$)을 넣으면 그림의 값은 $66$입니다.

3×3에서는 빨라지는 계산이 아니라 "행렬식 = ε 둘에 행렬 셋"이라는 구조를 보여 주는 그림입니다. 행렬을 선으로 다루는 방법(대각합, 케일리-해밀턴, 일반 $n$의 행렬식)은 G4에서 자세히 다룹니다.

8. 이 표기로 빨라지는 Arfken 계산

레슨·위치계산그림으로 하면
L07 1절 예제 1-2, 연습 A5$\mathbf A\times(\mathbf B\times\mathbf C)$ 수치H 한 장(예제 3-1). 누가 +를 받는지 그림으로 보임
L07 1절 레시피 3외적 검산 $(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot\mathbf A=0$, $|\mathbf A\times\mathbf B|^2$같은 벡터 두 팔 → 0(예제 2-1), H 한 장(예제 6-3)
L07 7절 예제 7-1$\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{ijk}=6$, BAC−CAB꼰 세타, H 한 번(예제 6-1). 6단계 레시피의 순환·δ 단계가 사라짐
L07 7절 연습 F1, F2$\delta\delta\delta$, $\varepsilon\delta$, $\varepsilon\varepsilon=2\delta$고리, 올챙이, 꼰 거품(예제 6-2)
L07 7절 연습 F4$(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot(\mathbf C\times\mathbf D)$H 한 번(예제 6-3)
L07 0절 축약표$\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{ijn}=2\delta_{kn}$ 등거품·세타·H 세 그림만 기억(3절)
L29 3절 예제 3-1, 4절반대칭 부분의 쌍대 $C_i=\frac12\varepsilon_{ijk}A_{jk}$점에 반대칭 상자 → $\frac12\mathbf a\times\mathbf b$(연습 D3)
L04 1절 예제 1-1(b)3×3 행렬식빨라지지는 않음. 구조와 부호 확인용(7절)
L07 6–7절 미분 항등식$\nabla(\mathbf A\cdot\mathbf B)$, $\nabla\times(\nabla\times\mathbf A)$G2(미분 풍선)

9. 출처와 관례

출처와 관례

10. 자주 하는 실수

11. 연습문제

종이에 먼저 풀고 답을 여세요. 그림 등식은 텐서 네트워크 계산으로, 답은 SymPy로 검산했습니다.

A. 그림 읽기

A1. 다음 그림을 지표식과 벡터식으로 쓰세요.

C A B
답$C_i\varepsilon_{ijk}A_jB_k=(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot\mathbf C=\mathbf A\cdot(\mathbf B\times\mathbf C)$ — A×B 기계의 출력이 C로 들어갑니다. 점 하나에 상자 셋이므로 삼중곱입니다.

A2. 다음 그림(아래 두 팔을 꼰 것)의 값을 A1의 답으로 쓰세요.

C A B
답$-\mathbf A\cdot(\mathbf B\times\mathbf C)$ — 팔이 점을 떠나는 순서가 (출력, B, A)라 clank 한 번입니다. $(\mathbf B\times\mathbf A)\cdot\mathbf C$와 같습니다.

A3. 다음 그림의 값은?

A B
답$3(\mathbf A\cdot\mathbf B)$ — 구불구불한 선은 그냥 A와 B를 이은 것이고, 떨어진 고리는 3을 곱합니다.

A4. $\varepsilon_{ijk}A_iB_jA_k$의 값을 그림으로 판단하세요.

답$0$ — 점 하나에 A가 두 번 붙었습니다. 두 A의 팔을 꼬아도 같은 그림인데 부호는 바뀌어야 하므로 0.

B. 거품·세타·부호

B1. 선 위에 거품이 두 개 있는 그림의 값은?

i j
답$4\,\delta_{ij}$ — 거품 하나마다 $-2$를 곱합니다: $(-2)^2=4$.

B2. 세타의 한 선에 거품이 달린 그림의 값은?

답$12$ — 거품을 먼저 $-2$·선으로 바꾸면 $-2\times$세타 $=-2\times(-6)$.

B3. 지표식 $\varepsilon_{ikl}\varepsilon_{jlk}$의 값은?

답$-2\delta_{ij}$ — 둘째 ε의 $k,l$ 순서가 첫째와 반대라 $\varepsilon_{ikl}\varepsilon_{jkl}=+2\delta_{ij}$에 $-1$을 곱합니다. 그림으로는 "꼬지 않은 평면 거품" 그대로입니다.

C. 항등식

C1. $(\mathbf A\times\mathbf B)\times\mathbf C$를 H 규칙으로 전개하세요.

답$\mathbf B(\mathbf A\cdot\mathbf C)-\mathbf A(\mathbf B\cdot\mathbf C)$ — $-\mathbf C\times(\mathbf A\times\mathbf B)$에 BAC−CAB를 쓴 것과 같습니다. 괄호 위치가 바뀌면 답이 다르다는 것(L07 1절)이 그림에서는 H의 모서리 배치가 다르다는 것으로 보입니다.

C2. $|\mathbf A\times\mathbf B|^2$을 그림으로 계산하세요.

답$|\mathbf A|^2|\mathbf B|^2-(\mathbf A\cdot\mathbf B)^2$ — 예제 6-3에서 $\mathbf C=\mathbf A$, $\mathbf D=\mathbf B$.

C3. $(\mathbf A\times\mathbf B)\times(\mathbf C\times\mathbf D)$를 두 가지로 전개하세요.

답$\mathbf C\,(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf D)-\mathbf D\,(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C)=\mathbf B\,(\mathbf A\cdot\mathbf C\times\mathbf D)-\mathbf A\,(\mathbf B\cdot\mathbf C\times\mathbf D)$ — 점 셋짜리 나무의 왼쪽 선과 오른쪽 선에 각각 H를 씁니다(예제 5-2와 같은 나무).

C4. $\mathbf A\times\big(\mathbf B\times(\mathbf C\times\mathbf D)\big)$를 전개하세요.

답$(\mathbf B\cdot\mathbf D)(\mathbf A\times\mathbf C)-(\mathbf B\cdot\mathbf C)(\mathbf A\times\mathbf D)$ — 안쪽 두 점을 잇는 선에 H를 쓰면 $\mathbf B\times(\mathbf C\times\mathbf D)=\mathbf C(\mathbf B\cdot\mathbf D)-\mathbf D(\mathbf B\cdot\mathbf C)$. 남은 점은 A와의 외적입니다.

C5. $\mathbf n=(0,0,1)$, $\mathbf v=(1,2,3)$일 때 $\mathbf n\times(\mathbf n\times\mathbf v)$와 $(\delta-\mathbf n\mathbf n)\mathbf v$를 구하세요.

답$\mathbf n\times(\mathbf n\times\mathbf v)=(-1,-2,0)$, $(\delta-\mathbf n\mathbf n)\mathbf v=(1,2,0)$ — 예제 5-3대로 $-\mathbf n\times(\mathbf n\times\mathbf v)=\mathbf v-\mathbf n(\mathbf n\cdot\mathbf v)=(1,2,3)-3(0,0,1)$.

C6. L07 연습문제 A5의 $\mathbf A=(1,0,1)$, $\mathbf B=(2,1,0)$, $\mathbf C=(0,1,3)$에서 $\mathbf A\times(\mathbf B\times\mathbf C)=(6,1,-6)$이었습니다. $\mathbf B\times(\mathbf C\times\mathbf A)+\mathbf C\times(\mathbf A\times\mathbf B)$를 계산 없이 구하세요.

답$(-6,-1,6)$ — 야코비 항등식(예제 5-1)으로 세 항의 합이 0입니다.

C7. $(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot\big[(\mathbf B\times\mathbf C)\times(\mathbf C\times\mathbf A)\big]=(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C)^2$을 보이세요.

답C3의 첫 꼴에서 $\mathbf A\to\mathbf B$, $\mathbf B\to\mathbf C$, $\mathbf C\to\mathbf C$, $\mathbf D\to\mathbf A$로 바꾸면 $(\mathbf B\times\mathbf C)\times(\mathbf C\times\mathbf A)=\mathbf C\,(\mathbf B\cdot\mathbf C\times\mathbf A)-\mathbf A\,(\mathbf B\cdot\mathbf C\times\mathbf C)=\mathbf C\,(\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C)$ (둘째 항은 C가 두 팔에 붙어 0). 여기에 $\mathbf A\times\mathbf B$를 내적하면 $(\mathbf A\times\mathbf B)\cdot\mathbf C=\mathbf A\cdot\mathbf B\times\mathbf C$가 하나 더 나옵니다.

D. 대칭 논증

D1. 다음 그림(자유 끝 1개)의 값은?

i
답$0$ — δ·ε만으로 된 그림의 자유 끝이 1개입니다. 직접 확인: 아래 두 점이 거품을 이루므로 $-2$·선이 되고, 남는 것은 두 팔을 이은 올챙이라 0.

D2. 사면체 그림(가운데 점이 삼각형의 세 점과 이어짐)의 값을 H 규칙으로 구하고, 예제 4-1의 $c=-1$을 확인하세요.

답$+6$ — 위 꼭짓점과 가운데 점을 잇는 선에 H를 씁니다. ‖ 항은 왼쪽 아래 점의 두 팔이 서로 이어진 올챙이라 0입니다. X 항은 아래 두 점 사이에 선이 셋인 세타인데, 그중 두 선이 꼬여 있어 $+6$입니다. 예제 4-1에서 사면체 $=c\times$세타이므로 $6=c\cdot(-6)$, $c=-1$.

D3. (L29 예제 3-1을 그림으로) $T_{ij}=a_ib_j$의 반대칭 부분 $A_{jk}=\frac12(a_jb_k-a_kb_j)$에 대해 $C_i=\frac12\varepsilon_{ijk}A_{jk}$가 $\frac12\mathbf a\times\mathbf b$임을 보이고, $\mathbf a=(1,2,0)$, $\mathbf b=(3,-1,2)$에서 값을 구하세요.

답$\mathbf C=\frac12\mathbf a\times\mathbf b=(2,-1,-\frac72)$ — 점의 두 팔에 $a_jb_k$를 붙인 그림은 $(\mathbf a\times\mathbf b)_i$, $a_kb_j$를 붙인 그림은 팔을 꼰 것이라 $-(\mathbf a\times\mathbf b)_i$입니다. 따라서 $\frac12\cdot\frac12\big[(\mathbf a\times\mathbf b)+(\mathbf a\times\mathbf b)\big]$.

E. 행렬식 (L04 맛보기)

E1. 두 점을 세 줄로 이은 다음 그림의 값을 구하고, 7절의 공식으로 $\det I=1$인지 확인하세요.

답$-6$ — 세타와 같은 그림입니다(선을 늘였을 뿐). 행렬 자리에 $I$(맨 선)를 넣은 것이므로 $-6\det I=-6$, $\det I=1$.

E2. L04 예제 1-1(b)의 $A=\begin{pmatrix}2&1&3\\0&-1&4\\1&2&1\end{pmatrix}$에 대해 7절 그림의 값은?

답$66$ — $\det A=-11$이므로 $-6\times(-11)$. 지표식 $\varepsilon_{ijk}\varepsilon_{lmn}a_{il}a_{jm}a_{kn}$은 $6\det A=-66$이고, 평면 그림은 그 $-1$배입니다.

12. 다음

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