Тензор (ішкі анықтама) - Tensor (intrinsic definition)

Бұл мақала болуы ұсынылды біріктірілген ішіне Тензор. (Талқылаңыз) 2020 жылдың ақпан айынан бастап ұсынылған.

Жылы математика, заманауи компонентсіз теориясына көзқарас тензор тензорды ан ретінде қарастырады дерексіз объект, көпжелілік тұжырымдаманың белгілі бір түрін білдіретін. Олардың белгілі қасиеттері^{[қылшық сөздер ]} сызықтық карталар сияқты немесе жалпы алғанда олардың анықтамаларынан алуға болады; және тензорларды манипуляциялау ережелері кеңейту ретінде пайда болады сызықтық алгебра дейін көп сызықты алгебра.

Жылы дифференциалды геометрия ішкі^{[анықтама қажет ]} геометриялық мәлімдеме а сипатталуы мүмкін тензор өрісі үстінде көпжақты, содан кейін координаттарға сілтеме жасаудың қажеті жоқ. Дәл сол сияқты жалпы салыстырмалылық, а сипаттайтын тензор өрістерінің физикалық меншік. Компонентсіз тәсіл кеңінен қолданылады абстрактілі алгебра және гомологиялық алгебра, онда тензорлар табиғи түрде пайда болады.

Ескерту: Бұл мақала тензор өнімі туралы векторлық кеңістіктер таңдалмаған негіздер. Тақырыпқа жалпы шолу негізінен табуға болады тензор мақала.

Векторлық кеңістіктің тензор көбейтіндісі арқылы анықтау

Шекті жиын берілген { V₁, ..., V_n } туралы векторлық кеңістіктер жалпыға ортақ өріс F, олардың бірі болуы мүмкін тензор өнімі V₁ ⊗ ... ⊗ V_n, оның элементі а деп аталады тензор.

A векторлық кеңістіктегі тензор V содан кейін форманың векторлық кеңістігінің элементі ретінде анықталады (яғни, вектор):

${ displaystyle V otimes cdots otimes V otimes V ^ {*} otimes cdots otimes V ^ {*}}$

қайда V^∗ болып табылады қос кеңістік туралы V.

Егер бар болса м дана V және n дана V^∗ біздің өнімімізде тензор деп айтылған түрі (м, n) және тәртіпке қайшы келеді м және ковариантты тәртіп n және барлығы тапсырыс м + n. Нөлдік тәртіптің тензорлары тек скалярлар (өріс элементтері) F), қарама-қарсы ретті 1 векторлар болып табылады V, ал ковариантты ретті 1 - болып табылады бір формалы жылы V^∗ (осы себепті соңғы екі кеңістікті көбіне контрастрианттық және ковариантты векторлар деп атайды). Барлық тензорлардың кеңістігі (м, n) деп белгіленеді

${ displaystyle T_ {n} ^ {m} (V) = underbrace {V otimes dots otimes V} _ {m} otimes underbrace {V ^ {*} otimes dots otimes V ^ { *}} _ {n}.}$

1-мысал. Тип кеңістігі (1, 1) тензорлар, ${ displaystyle T_ {1} ^ {1} (V) = V otimes V ^ {*},}$ кеңістігіне табиғи жолмен изоморфты болып табылады сызықтық түрлендірулер бастап V дейін V.

2-мысал. A айқын сызық нақты векторлық кеңістікте V, ${ displaystyle V times V to mathbb {R},}$ түріне табиғи түрде сәйкес келеді (0, 2) тензор ${ displaystyle T_ {2} ^ {0} (V) = V ^ {*} otimes V ^ {*}.}$ Мұндай белгісіз форманың мысалы анықталған болуы мүмкін, байланысты деп аталады метрикалық тензор, және әдетте белгіленеді ж.

Тензор дәрежесі

A қарапайым тензор (оны бірінші дәрежелі тензор, қарапайым тензор немесе ыдырайтын тензор деп атайды (Хакбуш 2012 ж, 4-б.) - формадағы тензорлардың көбейтіндісі ретінде жазуға болатын тензор

${ displaystyle T = a otimes b otimes cdots otimes d}$

қайда а, б, ..., г. нөлге тең емес V немесе V^∗ - яғни, егер тензор нөлге тең болмаса және толық болса факторизацияланатын. Әрбір тензорды жай тензорлардың қосындысы түрінде көрсетуге болады. The тензор дәрежесі Т қосылатын қарапайым тензорлардың минималды саны Т (Бурбаки 1989 ж, II, §7, жоқ. 8)

The нөлдік тензор нөлге ие. Нөлден тыс 0 немесе 1 тензоры әрдайым 1 дәрежеге ие болады. Нөлдік емес 2 немесе одан жоғары реттік тензордың дәрежесі ең үлкен векторлардан басқа барлық өлшемдердің көбейтіндісінен кем немесе тең болады (көбейтінділерінің қосындысы ) қай тензорды көрсетуге болады, ол г.ⁿ⁻¹ әр өнім болған кезде n өлшемнің ақырлы векторлық кеңістігінен векторлар г..

Термин тензор дәрежесі ұғымын кеңейтеді матрица дәрежесі сызықтық алгебрада, дегенмен бұл термин жиі тензор тәртібін (немесе дәрежесін) білдіру үшін қолданылады. Матрицаның дәрежесі - бұл кеңейту үшін қажет баған векторларының минималды саны матрицаның ауқымы. Осылайша, матрица бірінші дәрежеге ие, егер оны ан түрінде жазуға болады сыртқы өнім нөлдік емес векторлардың саны:

${ displaystyle A = vw ^ { mathrm {T}}.}$

Матрица дәрежесі A оны шығаруға болатын осындай сыртқы өнімдердің ең аз саны:

${ displaystyle A = v_ {1} w_ {1} ^ { mathrm {T}} + cdots + v_ {k} w_ {k} ^ { mathrm {T}}.}$

Индекстерде 1 дәрежелі тензор форманың тензоры болып табылады

${ displaystyle T_ {ij dots} ^ {k ell dots} = a_ {i} b_ {j} cdots c ^ {k} d ^ { ell} cdots.}$

2 ретті тензордың дәрежесі тензор а деп қарастырылған кездегі деңгеймен сәйкес келеді матрица (Halmos 1974 ж, §51), және анықтауға болады Гауссты жою мысалы. Тензордың 3 немесе одан жоғары деңгейінің дәрежесі жиі кездеседі өте қиын анықтау үшін, және тензорлардың төмен дәрежелік ыдырауы кейде үлкен практикалық қызығушылық тудырады (де Гроот 1987 ж ). Матрицаларды тиімді көбейту және көпмүшелерді тиімді бағалау сияқты есептерді бір уақытта бір уақытта бағалау мәселесі ретінде қайта құруға болады. екі түрдегі формалар

${ displaystyle z_ {k} = sum _ {ij} T_ {ijk} x_ {i} y_ {j}}$

берілген кірістер үшін х_мен және ж_j. Егер тензордың төмен дәрежелі ыдырауы болса Т белгілі, содан кейін тиімді бағалау стратегиясы белгілі (Кнут 1998 ж, 506–508 б.).

Әмбебап меншік

Кеңістік ${ displaystyle T_ {n} ^ {m} (V)}$ сипатталуы мүмкін әмбебап меншік жөнінде көп сызықты кескіндер. Бұл тәсілдің артықшылықтарының бірі - бұл көптеген сызықтық кескіндердің «табиғи» немесе «геометриялық» екенін көрсетуге мүмкіндік береді (басқаша айтқанда кез-келген негіз таңдауына тәуелді емес). Содан кейін нақты есептеу ақпаратын негіздер арқылы жазуға болады, және бұл басымдылықтардың реті формуланы дәлелдеуден гөрі ыңғайлы болуы мүмкін, бұл табиғи картаға түсіреді. Тағы бір аспект - тензор өнімдері тек пайдаланылмайды тегін модульдер және «әмбебап» тәсіл жалпы жағдайларға оңай өтеді.

А-да скалярлы функция Декарттық өнім (немесе тікелей сома ) векторлық кеңістіктер

${ displaystyle f: V_ {1} times cdots times V_ {N} to mathbb {R}}$

егер ол әр аргументте сызықтық болса, көп сызықты болады. Бастап барлық көп сызықты кескіндердің кеңістігі V₁ × ... × V_N дейін W деп белгіленеді L^N(V₁, ..., V_N; W). Қашан N = 1, көп сызықты картография - бұл жай сызықтық карта және барлық сызықтық кескіндердің кеңістігі V дейін W деп белгіленеді L(V; W).

The тензор өнімінің әмбебап сипаттамасы әрбір көпжелілік функция үшін бұл дегенді білдіреді

${ displaystyle f in L ^ {m + n} ( underbrace {V ^ {*}, ldots, V ^ {*}} _ {m}, underbrace {V, ldots, V} _ {n }; Ж)}$

(қайда ${ displaystyle W}$ скаляр өрісін, векторлық кеңістікті немесе тензор кеңістігін көрсете алады) ерекше сызықтық функция бар

${ displaystyle T_ {f} in L ( underbrace {V ^ {*} otimes cdots otimes V ^ {*}} _ {m} otimes underbrace {V otimes cdots otimes V} _ {n}; W)}$

осындай

${ displaystyle f ( альфа _ {1}, ldots, альфа _ {m}, v_ {1}, ldots, v_ {n}) = T_ {f} ( альфа _ {1} otimes cdots otimes alpha _ {m} otimes v_ {1} otimes cdots otimes v_ {n})}$

барлығына ${ displaystyle v_ {i} in V}$ және ${ displaystyle alpha _ {i} in V ^ {*}.}$

Әмбебап қасиетті қолдана отырып, (м,n) -тензорлар мойындайды а табиғи изоморфизм

${ displaystyle T_ {n} ^ {m} (V) cong L ( underbrace {V ^ {*} otimes cdots otimes V ^ {*}} _ {m} otimes underbrace {V otimes cdots otimes V} _ {n}; mathbb {R}) cong L ^ {m + n} ( underbrace {V ^ {*}, ldots, V ^ {*}} _ {m}, underbrace {V, ldots, V} _ {n}; mathbb {R}).}$

Әрқайсысы V тензор анықтамасында а сәйкес келеді V^* сызықтық карталардың аргументінің ішінде және керісінше. (Алдыңғы жағдайда бар екенін ескеріңіз м дана V және n дана V^*, ал екінші жағдайда керісінше). Атап айтқанда, бар

${ displaystyle { begin {aligned} T_ {0} ^ {1} (V) & cong L (V ^ {*}; mathbb {R}) cong V T_ {1} ^ {0} (V) & cong L (V; mathbb {R}) = V ^ {*} T_ {1} ^ {1} (V) & cong L (V; V) end {aligned}} }$

Тензор өрістері

Дифференциалды геометрия, физика және инженерлік жиі айналысуы керек тензор өрістері қосулы тегіс коллекторлар. Термин тензор кейде стенография ретінде қолданылады тензор өрісі. Тензор өрісі коллектордың әр нүктесінде өзгеретін тензор ұғымын білдіреді.

Әдебиеттер тізімі

• Ыбырайым, Ральф; Марсден, Джерролд Э. (1985), Механиканың негіздері (2 басылым), Рединг, Массачусетс: Аддисон-Уэсли, ISBN  0-201-40840-6.
• Бурбаки, Николас (1989), Математика элементтері, алгебра I, Springer-Verlag, ISBN  3-540-64243-9.
• де Гроот, Х. Ф. (1987), Екі сызықты есептердің күрделілігі туралы дәрістер, Информатикадағы дәрістер, 245, Springer, ISBN  3-540-17205-X.
• Халмос, Пауыл (1974), Соңғы өлшемді векторлық кеңістіктер, Springer, ISBN  0-387-90093-4.
• Джеванжи, Надир (2011), Физиктер үшін тензорға және топтық теорияға кіріспе, ISBN  978-0-8176-4714-8
• Кнут, Дональд Э. (1998) [1969], Компьютерлік бағдарламалау өнері т. 2018-04-21 121 2 (3-ші басылым), 145–146 бб, ISBN  978-0-201-89684-8.
• Хакбуш, Вольфганг (2012), Тензор кеңістігі және сандық цензура есебі, Springer, б. 4, ISBN  978-3-642-28027-6.