ビアンキの関係式とは - 理数の散策路

ビアンキの関係式
ビアンキの恒等式

ビアンキの関係式

ビアンキの関係式とは、リーマン曲率テンソルの添え字の巡回置換に成り立つ関係式です。以下のように表されます。

$$R_{ijk}^m+R_{jki}^m+R_{kij}^m=0　　-①$$

ここで、リーマン曲率テンソルは、クリストッフェル記号により以下で定義されます。

$$R_{ijk}^m=\frac{\partial\Gamma_{ik}^m}{\partial x^j}-\frac{\partial\Gamma_{ij}^m}{\partial x^k}+\Gamma_{ik}^n\Gamma_{nj}^m-\Gamma_{ij}^n\Gamma_{nk}^m　　-②$$

ビアンキの関係式を導く

(11)について、添え字｛$i,j,k$｝を１つづつ巡回置換させます。

$$R_{jki}^m=\frac{\partial\Gamma_{ji}^m}{\partial x^k}-\frac{\partial\Gamma_{jk}^m}{\partial x^i}+\Gamma_{ji}^n\Gamma_{nk}^m-\Gamma_{jk}^n\Gamma_{ni}^m　　-③$$

$$R_{kij}^m=\frac{\partial\Gamma_{kj}^m}{\partial x^i}-\frac{\partial\Gamma_{ki}^m}{\partial x^j}+\Gamma_{kj}^n\Gamma_{ni}^m-\Gamma_{ki}^n\Gamma_{nj}^m　　-④$$

次に、②③④を足し合わせると、クリストッフェル記号の対称性 $\Gamma_{ij}^m=\Gamma_{ji}^m$ により、②の右辺第１項と④の右辺第２項は打ち消し合います。結局、右辺の和は０になり、左辺の和（ビアンキの関係式）のみ残ることが分かります。

ビアンキの恒等式

ビアンキの恒等式とは、リーマン曲率テンソルの共変微分に成り立つ対称性です。以下のように表されます。ここで、コロン（ $:$ ）は共変微分を表します。

$$R_{ijk:l}^m+R_{ikl:j}^m+R_{ilj:k}^m=0$$

ビアンキの恒等式を導く

まず、２つのベクトルの外積に対し共変微分を行います。ここでは $k$ と $l$ の順番を入れ替えて２回行います。

$$(A_iB_j)_{:k:l}=A_{i:k:l}B_j+A_{i:k}B_{j:l}+A_{i:l}B_{j:k}+A_iB_{j:k:l}$$$$(A_iB_j)_{:l:k}=A_{i:l:k}B_j+A_{i:l}B_{j:k}+A_{i:k}B_{j:l}+A_iB_{j:l:k}$$

２つの式の差分をとって、リーマン曲率テンソルの定義式

$$A_mR_{ijk}^m＝A_{i:j:k}-A_{i:k:j}$$

を使うと、

$$(A_iB_j)_{:k:l}-(A_iB_j)_{:l:k}=(A_{i:k:l}-A_{i:l:k})B_j+A_i(B_{j:k:l}-B_{j:l:k})$$

$$=A_mB_jR_{ikl}^m+A_iB_mR_{jkl}^m$$

ここで、ベクトルの外積はテンソルであり、共変微分はテンソルであるから、$A_iB_j\to A_{i:j}$ と置き替えます。

$$A_{i:j:k:l}-A_{i:j:l:k}=A_{m:j}R_{ikl}^m+A_{i:m}R_{jkl}^m　　-⑤$$

次に、添え字｛$j,k,l$｝を１つづつ巡回置換させます。

$$A_{i:k:l:j}-A_{i:k:j:l}=A_{m:k}R_{ilj}^m+A_{i:m}R_{klj}^m　　-⑥$$$$A_{i:l:j:k}-A_{i:l:k:j}=A_{m:l}R_{ijk}^m+A_{i:m}R_{ljk}^m　　-⑦$$

⑤⑥⑦の左辺を、リーマン曲率テンソルを定義を使って書き換えます。ここで、⑤⑥⑦の左辺の和と⑧⑨⑩の左辺の和は等しいため、それぞれの右辺の和を等しいと置くことができます。

$$A_{i:j:k:l}-A_{i:k:j:l}=(A_mR_{ijk}^m)_{:l}=A_{m:l}R_{ijk}^m+A_mR_{ijk:l}^m　　-⑧$$

$$A_{i:k:l:j}-A_{i:l:k:j}=(A_mR_{ikl}^m)_{:j}=A_{m:j}R_{ikl}^m+A_mR_{ikl:j}^m　　-⑨$$