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Derivación o intuición de fórmula para el símbolo de Levi-Civita

http://www.EES.NMT.edu/Outside/Courses/GEOP523/docs/index-Notation.pdf echada en chorro apagado y lanzó hacia fuera con ninguna motivación $$\epsilon{ijk} = \frac{1}{2}(i - j)(j - k)(k - i) \, \forall \, \, k \in {1, 2, 3}$ $ donde $ \epsilon{i_1i_2i_3...i_n} = \left\ {\begin{array}{rcl} +1 & \mbox{if } (i_1, i_2, i_3, ..., i_n) \text{ is an even permutation of } (1, 2, 3, ..., n) & \ -1 & \mbox{if } (i_1, i_2, i_3, ..., i_n)\text{ is an odd permutation of } (1, 2, 3, ..., n) \ 0 & \mbox{if } (i_1, i_2, i_3, ..., i_n) \text{ is NOT a permutation of } (1, 2, 3, ..., n) \end{matriz} \right. $

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Las propiedades clave de la de Levi-Civita símbolo de su antisymmetry y normalización, $\epsilon_{1\cdots n}=1$. Deseamos capturar, con los números enteros $\{i_1,\ldots,i_n\}$, $i_j\in\{1,\ldots,n\}$, estas propiedades de $\epsilon$. Es natural considerar a los productos de la forma $\prod_{j,k}(i_j-i_k)$, ya que el producto se desvanece si alguna de las $i$s son el mismo. Además, no podemos tener un número par de factores de la forma $(i_j-i_k)$, ya que vamos a tener ninguna esperanza de capturar la antisymmety propiedad de $\epsilon$. Un ansatz simple es $$\begin{eqnarray*} e(i_1,\ldots,i_n) &=& c_n\prod_{1\le j<k\le n}(i_k-i_j) \\ &=& c_n \prod_{k=2}^n\prod_{j=1}^{k-1}(i_k-i_j) \\ &=& c_n [(i_2-i_{1})] \\ && \times [(i_3-i_1)(i_3-i_2)] \\ && \cdots \\ && \times [(i_{n-1}-i_{1})\cdots(i_{n-1}-i_{n-2})] \\ && \times [(i_n-i_{1})\cdots(i_n-i_{n-1})] \end{eqnarray*}$$ donde $c_n$ es una constante que se determinará en breve.

A partir de la forma del producto podemos ver que permuting adyacentes $i$s en el producto simplemente de introducir un factor de $-1$. (Por ejemplo, $e(i_2,i_1,\ldots,i_n) = -e(i_1,i_2,\ldots,i_n)$ ya que vamos a recoger un factor de $-1$ desde el factor de $(i_2-i_1)$.) Esto es suficiente para demostrar que el producto tiene la antisymmetry propiedad de $\epsilon$.

Si alguna de las $i$s no son distintas, el producto es cero. Todos los otros productos que pueden ser obtenidos por las permutaciones de los productos $e(1,\ldots,n)$. Todo lo que queda es determinar $c_n$. Tenemos $$\begin{eqnarray*} e(1,\ldots,n) &=& c_n \prod_{k=2}^n\prod_{j=1}^{k-1}(k-j) \\ &=& c_n \prod_{k=2}^n\prod_{l=1}^{k-1}l \hspace{5ex} (\textrm{let }m=k-j) \\ &=& c_n \prod_{k=2}^n (k-1)! \\ %&=& c_n \prod_{k=1}^{n-1}k \\ &=& c_n \, \mathrm{sf}(n-1), \end{eqnarray*}$$ donde $\mathrm{sf}(n)=\prod_{k=1}^{n}k!$ es el superfactorial. (A partir de $n=0$, la secuencia de superfactorials es $1,1,2,12,288,\ldots$.) Por lo tanto, $$\begin{eqnarray*} \epsilon_{i_1\cdots i_n} &=& e(i_1,\ldots,i_n) \\ &=& \frac{1}{\mathrm{sf}(n-1)} \prod_{1\le j<k\le n}(i_k-i_j). \hspace{10ex} \textrm{(1)} \end{eqnarray*}$$ Algunos de los resultados para las pequeñas $n$ seguir.

$n=2$ $$\epsilon_{ij} = j-i, \quad i,j\in\{1,2\}$$

$n=3$ $$\begin{eqnarray*} \epsilon_{ijk} &=& \frac{1}{2}(j-i)(k-i)(k-j), \quad i,j,k\in\{1,2,3\} \\ &=& \frac{1}{2}(i-j)(j-k)(k-i) \end{eqnarray*}$$

$n=4$ $$\begin{eqnarray*} \epsilon_{ijkl} &=& \frac{1}{12}(j-i)(k-i)(k-j)(l-i)(l-j)(l-k), \quad i,j,k,l\in\{1,2,3,4\} \end{eqnarray*}$$

La degeneración

Desde $\epsilon_{i_1\cdots i_n}^{2m+1} = \epsilon_{i_1\cdots i_n}$$m\in\mathbb{N}$, nos encontramos una infinidad de otras posibles representaciones para $\epsilon$, es decir, el producto $$\begin{eqnarray*} \frac{1}{\mathrm{sf}(n-1)^{2m+1}} \prod_{1\le j<k\le n}(i_k-i_j)^{2m+1} \end{eqnarray*}$$ es también una perfectamente buena representación de $\epsilon$. El principio de la parsimonia dicta que la representación (1) es preferible.

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