- 標記法說明:向量 是向量空間 的元素。向量基底 構成了向量空間的一個基底,其座標系統為 。對應這個基底,向量 的分量為 ,即 。
(註: 這符號中的上標 不代表平方,而是代表第二個坐標,在較基礎的數學上,常寫作 ,但是,在張量分析領域,指標寫作上標或下標牽涉到對張量性質的提示,以及愛因斯坦求和約定。)
向量空間 有另一個基底 ,其座標系統為 。對應這個基底, 有分量 ,即 。
對於1...n之間任意整數 ,我們知道 和 的關係:
- 。
使用愛因斯坦求和約定可寫成:
- 。
假設對偶空間 有兩個基底 跟 。[1]:289-297
假設 。
則對於 ... 之間其中一個特定的整數 ,我們知道 和 的關係:
- 。
或使用愛因斯坦求和約定寫成:
- 。
在歐幾里得空間 裏,共變向量和反變向量之間的區分很小。這是因為能夠使用內積運算從向量求得餘向量;對於所有餘向量 ,通過下述方程式,向量 和線性泛函 ,唯一地確定了餘向量 :
- 。
逆過來,通過上述方程式,線性泛函 和每一個餘向量,唯一地確定了向量 。由於這向量與餘向量的相互辨認,我們可以提到向量的共變分量和反變分量;也就是說,它們只是同樣向量對於基底和其對偶基底的不同表現。
給予 的一個基底 ,則必存在一個唯一的對偶基底 ,滿足
- ;
其中, 是克羅內克函數。
以這兩種基底,任意向量 可以寫為兩種形式
- ;
其中, 是向量 對於基底 的反變分量, 是向量 對於基底 的共變分量,
在歐幾里得空間R3裏,使用內積運算,能夠從向量求得餘向量。給予一組可能不是標準正交基的基底,其基底向量為 、 、 ,就可以計算其對偶基底的基底向量:
- ;
其中, 是三個基底向量 、 、 所形成的平行六面體的體積。
反過來計算,
- ;
其中, 是三個基底向量 、 、 所形成的平行六面體的體積 。
雖然 與 並不相互標準正交,它們相互對偶:
- 。
這樣,任意向量 的反變坐標為
- 。
類似地,共變坐標為
- 。
這樣, 可以表達為
- ,
或者,
- 。
綜合上述關係式,
- 。
向量 的共變坐標為
- ;
其中, 是度規張量。
向量 的反變坐標為
- ;
其中, 是共軛度規張量。
共變坐標的標號是下標,反變坐標的標號是上標。假若共變基底向量組成的基底是標準正交基,或反變基底向量組成的基底是標準正交基,則共變基底與反變基底相互等價。那麼,就沒有必要分辨共變坐標和反變坐標,所有的標號都可以用下標來標記。
- ^ Goldstein, Herbert, Classical Mechanics 3rd, United States of America: Addison Wesley, 1980, ISBN 0201657023 (英語)