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通俗理解張量tensor

 安喜的空間 2023-09-10

背景

我們的目的是要用數(shù)學量來表示物理量,,可是標量加上向量,,都不足以表達所有的物理量,所以就需要擴大數(shù)學量的概念,,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,通俗一點理解的話,,我們可以將標量視為零階張量,,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,定義由若干坐標系改變時滿足一定坐標轉(zhuǎn)化關系的有序數(shù)組成的集合為張量,。 從幾何角度講,, 它是一個真正的幾何量,也就是說,,它是一個不隨參照系的坐標變換(其實就是基向量變化)而變化的東西,。最后結(jié)果就是基向量與對應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(p,q)型張量,,就是一個映射:


其中V是矢量空間,,V*是對應的對偶空間。

啰嗦一下

如果一個物理量,,在物體的某個位置上只是一個單值,,那么就是普通的標量,比如密度,。如果它在同一個位置,、從不同的方向上看,,有不同的值,而且這個數(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(平面應力張量)的每個方向都可以用二維空間兩個方向表示。(區(qū)分2階張量的2個方向,,和二維空間的兩個方向x,,y)所以共有2^2=4個方向。
在三維空間里,,三維二階張量(空間應力張量)的每個方向都可以用三維空間三個方向表示,。(區(qū)分2階張量的2個方向,和三維空間的三個方向x,,y,、z)所以共有3^2=9個方向。

張量積

你認識矩陣乘積
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,,有一個相同指標在經(jīng)過求和之后就看不見了,。如果你只是把兩個量放在一起,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)造了一個矩陣,,也就是二階張量,。。類似的,,對于矩陣當然也可以,,
這里你就構(gòu)造了一個四階張量。

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,。不管這個乘積是什么,都應當有這些基本的性質(zhì),。那么這個時候張量積就出現(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),。正因為是最弱的,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,,或者是一個包絡的乘積。

數(shù)學中,,張量積,,記為


可以應用于不同的上下文中如向量矩陣,、張量,、向量空間代數(shù),、拓撲向量空間,。在各種情況下這個符號的意義是同樣的: 最一般的雙線性運算。在某些上下文中也叫做外積,。


有兩個(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 的兩個協(xié)變張量,,則它們的張量積的分量給出為

所以兩個張量的張量積的分量是每個張量的分量的普通積,。

贈送···向量的理解

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

一個向量有很多種表示方式,,我們可以用[0, 1]表示一個二維向量,,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向量,。我們都是知道(0,, 0) —> (1, 1)可表示一個從(0,, 0)到(1,, 1)的有向線段(向量),那么,,為什么可以用[0, 1]表示一個向量呢,?

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


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./zh/%E5%BC%A0%E9%87%8F%E7%A7%AF

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