通俗理解張量tensor

背景

我們的目的是要用數(shù)學(xué)量來表示物理量,可是標(biāo)量加上向量,都不足以表達(dá)所有的物理量,所以就需要擴(kuò)大數(shù)學(xué)量的概念,張量就出現(xiàn)了。


概念

幾何代數(shù)中定義的張量是基于向量和矩陣的推廣,通俗一點(diǎn)理解的話,我們可以將標(biāo)量視為零階張量,矢量視為一階張量,那么矩陣就是二階張量。


定義

張量的嚴(yán)格定義是利用線性映射來描述的。與矢量相類似,定義由若干坐標(biāo)系改變時(shí)滿足一定坐標(biāo)轉(zhuǎn)化關(guān)系的有序數(shù)組成的集合為張量。 從幾何角度講, 它是一個(gè)真正的幾何量,也就是說,它是一個(gè)不隨參照系的坐標(biāo)變換(其實(shí)就是基向量變化)而變化的東西。最后結(jié)果就是基向量與對(duì)應(yīng)基向量上的分量的組合(也就是張量)保持不變,比如一階張量(向量)a可表示為a = x*i + y*j。由于基向量可以有豐富的組合,張量可以表示非常豐富的物理量。

換一種定義方式
一個(gè)(p,q)型張量,就是一個(gè)映射:


其中V是矢量空間,V*是對(duì)應(yīng)的對(duì)偶空間。

啰嗦一下

如果一個(gè)物理量,在物體的某個(gè)位置上只是一個(gè)單值,那么就是普通的標(biāo)量,比如密度。如果它在同一個(gè)位置、從不同的方向上看,有不同的值,而且這個(gè)數(shù)恰好可以用矩陣乘觀察方向來算出來,就是張量。

張量的理解:張量是有大小和多個(gè)方向的量。這里的方向就是指張量的階數(shù)。
空間維度n:一般我們使用3維空間,也可以是4維及以上維度。
張量階數(shù)m:在固定的3維度空間再談張量的階數(shù),階數(shù)小于等于維數(shù),即m<=n。
下面區(qū)分這個(gè)量:張量的階數(shù)(張量的方向數(shù))和所在空間的維數(shù)(所在空間的方向數(shù))的區(qū)別
在二維空間里,二維二階張量(平面應(yīng)力張量)的每個(gè)方向都可以用二維空間兩個(gè)方向表示。(區(qū)分2階張量的2個(gè)方向,和二維空間的兩個(gè)方向x,y)所以共有2^2=4個(gè)方向。
在三維空間里,三維二階張量(空間應(yīng)力張量)的每個(gè)方向都可以用三維空間三個(gè)方向表示。(區(qū)分2階張量的2個(gè)方向,和三維空間的三個(gè)方向x,y、z)所以共有3^2=9個(gè)方向。

張量積

你認(rèn)識(shí)矩陣乘積

向量的內(nèi)積
以及矩陣和向量的乘法
于是你發(fā)現(xiàn)了共同點(diǎn),有一個(gè)相同指標(biāo)在經(jīng)過求和之后就看不見了。如果你只是把兩個(gè)量放在一起,不求和,只是構(gòu)造多重線性的話,你就發(fā)現(xiàn)了張量積,比如向量

于是你構(gòu)造了一個(gè)矩陣,也就是二階張量。。類似的,對(duì)于矩陣當(dāng)然也可以,
這里你就構(gòu)造了一個(gè)四階張量。

張量積這種東西有很多種理解方式,在不同的語境下面會(huì)有不同的看法。但是如果拿來跟矩陣乘積比較的話,我覺得比較好的說法是,張量積是一種萬有乘積,而矩陣乘法是一種具體化。

我們現(xiàn)在手里有很多矩陣,然后希望把兩個(gè)矩陣乘起來。一開始肯定想不到怎么乘,但是可以猜一些乘積的最基本的性質(zhì),比如說要和數(shù)乘是匹配的,也要和加法匹配也就是分配律。不管這個(gè)乘積是什么,都應(yīng)當(dāng)有這些基本的性質(zhì)。那么這個(gè)時(shí)候張量積就出現(xiàn)了,他代表了最廣的乘積,也是最弱的乘積,就僅僅滿足上面說的那些基本性質(zhì)。正因?yàn)槭亲钊醯?,所以一切具體的乘積都可以看成是從張量積的結(jié)果具體化得到的,也就是可以看成是萬有乘積,或者是一個(gè)包絡(luò)的乘積。

數(shù)學(xué)中,張量積,記為


可以應(yīng)用于不同的上下文中如向量矩陣、張量、向量空間、代數(shù)、拓?fù)湎蛄靠臻g。在各種情況下這個(gè)符號(hào)的意義是同樣的: 最一般的雙線性運(yùn)算。在某些上下文中也叫做外積。


有兩個(gè)(或更多)張量積的分量的一般公式。例如,如果 UV 是秩分別為 nm 的兩個(gè)協(xié)變張量,則它們的張量積的分量給出為

所以兩個(gè)張量的張量積的分量是每個(gè)張量的分量的普通積。

贈(zèng)送···向量的理解

向量可以表示什么?
比如,我們可以用一個(gè)平面的法向量代表這個(gè)平面;物理上可以用向量代表力等。看來,向量可以表示很多東西,不過仔細(xì)想想向量也只表示了幅度(magnitude)與方向(direction)兩個(gè)要素而已。

一個(gè)向量有很多種表示方式,我們可以用[0, 1]表示一個(gè)二維向量,也可以用平面、三維或更高維空間中的一條帶箭頭的線表示一個(gè)向量。我們都是知道(0, 0) —> (1, 1)可表示一個(gè)從(0, 0)到(1, 1)的有向線段(向量),那么,為什么可以用[0, 1]表示一個(gè)向量呢?

根據(jù)前面的講解,我們知道一個(gè)向量就是空間中的一條有向線段,可以用一組坐標(biāo)系的基和向量相應(yīng)分量的乘積組合來表示。由于坐標(biāo)系有很多種定義方式,基也就有很多種,對(duì)應(yīng)的分量也會(huì)有很多種,但如果大家默認(rèn)使用同一套基向量,那么基向量都不需要了,此時(shí),想要表示一個(gè)向量,只要給定這三個(gè)分量即可,比如用0, 1表示一個(gè)向量,如果加上兩個(gè)括號(hào),這就是我們?cè)跁辖?jīng)??吹降南蛄康牧斜硎荆?, 1),三維的有(1, 2, 1)。貼一個(gè)很有愛的圖


參考資料
https://blog.csdn.net/pandamax/article/details/63684633
http://tieba.baidu.com/p/4139437334
https://www.zhihu.com/question/23720923
https://www.zhihu.com/question/269975252
https://zh.wikipedia.org/zh/%E5%BC%A0%E9%87%8F%E7%A7%AF

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