張量 (內蘊定義)

有關張量在廣義範圍內的性質和重要性的介紹，請參閱張量。

在數學中，處理張量理論的現代無分量（component-free）方法首先將張量視為抽象對象，表示多重線性概念的某些特定類型。他們一些熟知的性質可由作為線性映射或更廣泛地定義得出；而張量的操作導致了線性代數擴張為多重線性代數。

在微分幾何中，一個內蘊的幾何論斷也許可以用一個流形上的張量場表示，這樣完全不必使用參考坐標系。在廣義相對論中同樣如此，張量場描述了物理性質。無分量方法在抽象代數與同調代數中也很常用，在那裡張量自然地出現了。

用向量空間的張量積定義

給定域$F$上一個有限向量空間集合$\left\{V_{1},...,V_{n}\right\}$，我們可以考慮他們的張量積 $V_{1}\otimes \cdots \otimes V_{n}$。這個張量積中的一個元素稱為一個張量（但這不是本文討論的張量概念）。

向量空間$V$上的張量定義成具有形式

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

的向量空間中的一個元素（即向量），這裡 V* 是 V 的對偶空間。

如果在我們的積中有$m$個$V$與$n$個$V^{*}$，張量稱為$\left(m,n\right)$型，具有反變（contravariant）階數$m$與共變（covariant，也稱協變）階數$n$，總階數為$m+n$。零階張量就是數量（域$F$中的元素），1 階反邊張量是$V$中的向量，1 階共變張量是$V^{*}$中的1-形式（因此，後兩個空間經常稱為反變向量與共變向量）。

$\left(1,1\right)$型張量

$V\otimes V^{*}$

自然同構於從$V$到$V$的線性變換空間。一個實向量空間$V$的內積自然對應於$\left(0,2\right)$張量

$V^{*}\otimes V^{*}$

稱為相應的度量，一般記作$g$。

其它記法

文獻中通常不寫出完整的張量積以表示$\left(m,n\right)$型張量的空間，而使用縮寫：

${\begin{matrix}T_{n}^{m}(V)&=&\underbrace {V\otimes \dots \otimes V} &\otimes &\underbrace {V^{*}\otimes \dots \otimes V^{*}} \\&&m&&n\end{matrix}}.$

這個空間的另外一種記法是用從向量空間$V$到向量空間$W$的線性映射來表示。讓

$L(V,W)\$

表示所有從$V$到$W$的線性映射的集合，這會形成一個向量空間。因此，例如對偶空間（線性泛函的空間）可以寫成

$V^{*}\cong L(V,\mathbb {R} );$

由 universal property 可知，(m,n)-張量有如下自然的同構(isomorphism)關係

$T_{n}^{m}(V)\cong L(\underbrace {V^{*}\otimes \dots \otimes V^{*}} _{m}\otimes \underbrace {V\otimes \dots \otimes V} _{n},\mathbb {R} )\cong L^{m+n}(V^{*},\dots ,V^{*},V,\dots ,V,\mathbb {R} ).$

在上面的公式中，$V$和$V^{*}$的角色互換了。特別地，我們有

$T_{0}^{1}(V)\cong L(V^{*},\mathbb {R} )\cong V,$

與

$T_{1}^{0}(V)\cong L(V,\mathbb {R} )\cong V^{*},$

以及

$T_{1}^{1}(V)\cong L(V,V).$

以下記法

$GL(V,W)\$

通常用來表示從 V 到 W 的可逆線性變換的空間，但對於張量空間沒有類似的記法。

張量場

主條目：張量場

微分幾何、物理學和工程學必須經常要處理光滑流形上的張量場。術語「張量'」實際上有時用作張量場的簡稱。一個張量場表達了逐點變化的張量的概念。

張量在不同座標間的變換公式

對任何給定向量空間$V$ 我們有$V$的一組基底$\{\mathbf {e} _{i}\}$，以及對應的對偶空間 $V^{*}$以及和向量基底$\{\mathbf {e} _{i}\}$ 對應的對偶基底$\{\omega ^{j}\}$ （也可用$\{\mathbf {e} ^{*j}\}$來表示）。上指標與下指標的區別提醒我們分量變換的方式以及向量跟餘向量(covector)或是向量跟餘向量的係數的分別。

例如，取空間

$V\otimes V\otimes V^{*}$

中的張量 $\mathbf {T}$，在我們的坐標系下分量可寫成

$\mathbf {T} =T^{ij}{}_{k}\,\mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {e} _{j}\otimes \omega ^{k},$

這裡我們使用愛因斯坦求和約定，這是處理張量份量的一種常見約定：即當張量分量同時出現了一組上指標與下指標時，我們對這上下指標所有可能值求和，比如說：$a_{i}dx^{i}$這符號，在這約定下即代表$\textstyle \sum _{i}a_{i}dx^{i}$。也就是說在在愛因斯坦求和約定下我們有$\textstyle T^{ij}{}_{k}\,\mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {e} _{j}\otimes \omega ^{k}=\sum _{ijk}T^{ij}{}_{k}\,\mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {e} _{j}\otimes \omega ^{k}$。在物理中我們經常使用表達式

$T^{ij}{}_{k}\$

來表示張量，就像向量經常寫成分量形式，這可以視為一個$n\times n\times n$數組。假設在另一坐標系中，有另一組基底$\{\mathbf {\hat {e}} _{i}\}$，則對同一向量來說兩組基底對應的分量將會不同。如果$(R_{i}^{j})$ 是兩基底間的變換矩陣（注意這不是一個張量，因為它表達一個基的變化而不是一個幾何實體），也就是

$\mathbf {\hat {e}} _{i}=\sum _{j}R_{i}^{j}\mathbf {e} _{j}$

，設 $(R^{-1})_{k}^{l}$ 是$(R_{i}^{j})$的逆矩陣，對同一張量在新基底的張量分量設為$\textstyle {\hat {T}}^{i'j'}\!{}_{k'}$，則兩者之間的變換公式為：

${\hat {T}}^{i'j'}\!{}_{k'}=\sum _{p,q,r}(R^{-1})_{p}^{i'}\,(R^{-1})_{q}^{j'}\,R_{k'}^{r}\,T^{pq}{}_{r}=(R^{-1})_{p}^{i'}\,(R^{-1})_{q}^{j'}\,R_{k'}^{r}\,T^{pq}{}_{r},$

注意上面的第二個等式使用了愛因斯坦求和約定。 在舊教材中這個變換規律經常作為一個張量的定義。形式上，這意味這那個張量作為所有坐標變換組成的群的一個特定表示。

參考文獻

• Abraham, Ralph; Marsden, Jerrold E., Foundations of Mechanics 2, Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1985, ISBN 0-201-40840-6