Альфапедия

Тензорное произведение

редактировать
Концепция линейной алгебры, обобщенная во всей математике

В математике, тензорное произведение V ⊗ W двух векторных пространств V и W (над одним и тем же полем ) само является векторным пространством, наделенным операцией билинейной композиция, обозначенная ⊗, от упорядоченных пар в декартовом произведении V × W до V ⊗ W способом, который обобщает внешнее произведение.

По сути, разница между тензорным произведением двух векторов и упорядоченной пары векторов состоит в том, что если один вектор умножается на ненулевой скаляр, а другой - на обратную величину этого скаляра, результатом является другая упорядоченная пара векторов, но такое же тензорное произведение двух векторов, и что пары векторов добавляются по одной координате за раз (другая координата одинакова повсюду), а не обе координаты одновременно - все, как и следовало ожидать, если t В некотором смысле векторы были «умножены напрямую», и тензорное произведение уточняло эту идею.

Тензорное произведение V и W - это векторное пространство , порожденное символами v ⊗ w, с v ∈ V и w ∈ W, в котором отношения билинейности задаются для операция продукта ⊗ и никакие другие отношения не выполняются. Пространство тензорного произведения, таким образом, является «самым свободным » (или наиболее общим) таким векторным пространством в том смысле, что оно имеет наименьшее количество ограничений.

Тензорное произведение (конечномерных) векторных пространств имеет размерность, равную произведению размерностей двух факторов:

dim ⁡ (V ⊗ W) = dim ⁡ V × dim ⁡ W. {\ displaystyle \ dim (V \ otimes W) = \ dim V \ times \ dim W.}{\displaystyle \dim(V\otimes W)=\dim V\times \dim W.}

В частности, это отличает тензорное произведение от векторного пространства прямой суммы, размерность которого равна сумма размерностей двух слагаемых:

dim ⁡ (V ⊕ W) = dim ⁡ V + dim ⁡ W. {\ displaystyle \ dim (V \ oplus W) = \ dim V + \ dim W.}{\displaystyle \dim(V\oplus W)=\dim V+\dim W.}

В общем, тензорное произведение может быть расширено на другие категории математических объектов в дополнение к векторным пространствам, например, для матриц, тензоров, алгебр, топологических векторных пространств и модулей. В каждом таком случае тензорное произведение характеризуется аналогичным универсальным свойством : это самая свободная билинейная операция. Общая концепция «тензорного произведения» отражена в моноидальных категориях ; то есть класс всех вещей, имеющих тензорное произведение, является моноидальной категорией.

Содержание
  • 1 Интуитивная мотивация и конкретное тензорное произведение
  • 2 Маленький шаг к абстрактному тензорному произведению: свободное векторное пространство
  • 3 Использование свободного векторного пространства, чтобы «забыть» о базисе
  • 4 Определение абстрактного тензорного произведения
  • 5 Свойства
    • 5.1 Нотация
    • 5.2 Размерность
    • 5.3 Тензорное произведение линейных карт
    • 5.4 Универсальное свойство
    • 5.5 Тензорные силы и плетение
  • 6 Произведение тензоров
    • 6.1 Оценочная карта и сжатие тензора
    • 6.2 Присоединенное представление
  • 7 Отношение тензорного произведения к Hom
  • 8 Тензорные произведения модулей над кольцом
    • 8.1 Тензорное произведение модулей над не -коммутативное кольцо
    • 8.2 Вычисление тензорного произведения
  • 9 Тензорное произведение алгебр
  • 10 Собственные конфигурации тензоров
  • 11 Другие примеры тензорных произведений
    • 11.1 Тензорное произведение гильбертовых пространств
    • 11.2 Топологический тензор product
    • 11.3 Тензорное произведение градуированных векторных пространств
    • 11.4 Тензорное произведение представлений
    • 11.5 Tensor pro канал квадратичных форм
    • 11.6 Тензорное произведение полилинейных форм
    • 11.7 Тензорное произведение связок модулей
    • 11.8 Тензорное произведение линейных пучков
    • 11.9 Тензорное произведение полей
    • 11.10 Тензорное произведение графов
    • 11.11 Моноидальные категории
  • 12 Факторные алгебры
  • 13 Тензорное произведение в программировании
    • 13.1 Языки программирования массивов
  • 14 См. Также
  • 15 Примечания
  • 16 Ссылки
Интуитивная мотивация и конкретный тензор product

Интуитивное побуждение к тензорному произведению основывается на концепции тензоров в более общем смысле. В частности, тензор - это объект, который можно рассматривать как особый тип полилинейной карты, которая принимает определенное количество векторов (его порядок) и выводит скаляр. Такие объекты полезны в ряде областей применения, таких как риманова геометрия, известная своим использованием в общей теории относительности Альберта Эйнштейна в в современная физика, где метрический тензор является фундаментальным понятием. В частности, метрический тензор принимает два вектора, представленных примерно как маленькие стрелки, исходящие из определенной точки в искривленном пространстве, или многообразие, и возвращает их локальное точечное произведение. относительно этой конкретной точки - операция, которая кодирует некоторую информацию о длинах векторов, а также об угле между ними. Поскольку скалярное произведение является скаляром, считается, что метрический тензор заслуживает своего названия. В каждой точке многообразия есть один метрический тензор, и вариация в метрическом тензоре, таким образом, кодирует, как понятия расстояния и угла, и, следовательно, законы аналитической геометрии меняются по всему многообразию.

Можно представить тензорное произведение двух векторных пространств, V {\ displaystyle V}Vи W {\ displaystyle W}W, как представление набора всех тензоров, которые берут вектор из V {\ displaystyle V}Vи вектор из W {\ displaystyle W}Wи выводят скаляр в пределах их общего базового поля (и, следовательно, могут быть определены только в том случае, если у них есть такое общее базовое поле). Эти два пространства могут быть одинаковыми - выше, они являются векторами в касательном пространстве в точке: грубо говоря, плоское пространство крошечный кусок многообразия «выглядит» около определенной точки, и, таким образом, метрический тензор живет в тензорном произведении этого пространства с собой. Но эти два пространства также могут быть разными.

Если у нас есть базис для каждого из векторных пространств, а векторные пространства конечномерны, мы можем представить векторы в терминах компонентов этих базисных векторов:

v = [v 1 v 2 ⋮ vn], w = [w 1 w 2 wm]. {\ displaystyle \ mathbf {v} = {\ begin {bmatrix} v_ {1} \\ v_ {2} \\\ vdots \\ v_ {n} \ end {bmatrix}}, \ \ mathbf {w} = { \ begin {bmatrix} w_ {1} \\ w_ {2} \\\ vdots \\ w_ {m} \ end {bmatrix}}.}{\displaystyle \mathbf {v} ={\begin{bmatrix}v_{1}\\v_{2}\\\vdots \\v_{n}\end{bmatrix}},\ \mathbf {w} ={\begin{bmatrix}w_{1}\\w_{2}\\\vdots \\w_{m}\end{bmatrix}}.}

где каждый вектор-столбец обозначает компоненты в конкретном базисе, т.е. v = v 1 e 1 + v 2 e 2 + ⋯ + vnen {\ displaystyle \ mathbf {v} = v_ {1} \ mathbf {e} _ {1} + v_ {2} \ mathbf {e } _ {2} + \ cdots + v_ {n} \ mathbf {e} _ {n}}{\displaystyle \mathbf {v} =v_{1}\mathbf {e} _{1}+v_{2}\mathbf {e} _{2}+\cdots +v_{n}\mathbf {e} _{n}}(и аналогично для w {\ displaystyle \ mathbf {w}}\mathbf {w} ).

тензор - это карта T (v, w) {\ displaystyle T (\ mathbf {v}, \ mathbf {w})}{\displaystyle T(\mathbf {v},\mathbf {w})}, которая работает, как указано выше, возвращает скаляр и является линейным по обоим аргументам. Такой тензор можно представить с помощью матричного умножения:

T (v, w) = v TT w {\ displaystyle T (\ mathbf {v}, \ mathbf {w}) = \ mathbf {v} ^ {\ mathsf {T}} \ mathbf {T} \ mathbf {w}}{\displaystyle T(\mathbf {v},\mathbf {w})=\mathbf {v} ^{\mathsf {T}}\mathbf {T} \mathbf {w} }

где верхний индекс T {\ displaystyle {\ mathsf {T}}}{\mathsf {T}}обозначает транспонирование матрицы , который отправляет вектор v {\ displaystyle \ mathbf {v}}\mathbf {v} в его двойственный вектор.

. Имея два вектора, мы можем сформировать собственный тензор из их довольно естественно, используя внешний продукт, который обозначается v ⊗ w {\ displaystyle \ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {w}}{\displaystyle \mathbf {v} \otimes \mathbf {w} }и равно vw T {\ displaystyle \ mathbf {v} \ mathbf {w} ^ {\ mathsf {T}}}{\displaystyle \mathbf {v} \mathbf {w} ^{\mathsf {T}}}. Этот тензор получается как матрица

v ⊗ w = [v 1 w 1 v 1 w 2 ⋯ v 1 wmv 2 w 1 v 2 w 2 ⋯ v 2 wm ⋮ ⋮ ⋱ ⋮ vnw 1 vnw 2 ⋯ vnwm] { \ displaystyle \ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {w} = {\ begin {bmatrix} v_ {1} w_ {1} v_ {1} w_ {2} \ cdots v_ {1} w_ {m} \\ v_ {2} w_ {1} v_ {2} w_ {2} \ cdots v_ {2} w_ {m} \\\ vdots \ vdots \ ddots \ vdots \\ v_ {n} w_ {1} v_ {n} w_ {2} \ cdots v_ {n} w_ {m} \ end {bmatrix}}}{\displaystyle \mathbf {v} \otimes \mathbf {w} ={\begin{bmatrix}v_{1}w_{1}v_{1}w_{2}\cdots v_{1}w_{m}\\v_{2}w_{1}v_{2}w_{2}\cdots v_{2}w_{m}\\\vdots \vdots \ddots \vdots \\v_{n}w_{1}v_{n}w_{2}\cdots v_{n}w_{m}\end{bmatrix}}}

и эта матрица соответствует тензору из предыдущей конструкции, которая напоминает то, как она соответствует линейная карта (путем умножения только с одной стороны). Эти тензоры сами генерируют векторное пространство, складывая их вместе и умножая на скаляры обычными способами, которые мы делаем для матриц и функций, и совокупность всех таких тензоров, сформированных таким образом, представляет собой тензорное произведение V ⊗ W {\ displaystyle Иногда W}V\otimes Wсамих двух векторных пространств. Фактически, это пространство эквивалентно пространству карт, представленных всевозможными матрицами указанного выше размера, как можно увидеть, отметив, что простые тензорные произведения ei ⊗ fj {\ displaystyle \ mathbf {e} _ {i } \ otimes \ mathbf {f} _ {j}}{\displaystyle \mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {f} _{j}}(здесь fj {\ displaystyle \ mathbf {f} _ {j}}{\displaystyle \mathbf {f} _{j}}- основа другого векторное пространство, W {\ displaystyle W}W) имеют "1" в (i, j) {\ displaystyle (i, j)}(i,j)- -я позиция и "0" везде, что позволяет умножить их на любое число и затем сложить, чтобы получить матрицу с произвольными элементами.

Цель последующих разделов - найти определение, которое эквивалентно этому, где оно применимо, но которое не требует конкретного выбора основы и которое также может быть более легко применено к бесконечному- параметры измерения, при которых обычные базовые концепции (базис Хамеля ) могут быть некорректными. Отсутствие необходимости в конкретной основе полезно с теоретической точки зрения, поскольку, хотя каждое векторное пространство имеет основу, не все базы обязательно могут быть построены, и, более того, сам результат зависит от принятия аксиомы выбора , что может быть отвергнуто в некоторых системах математики. Также полезно найти абстрактную конструкцию для анализа с точки зрения теории категорий - теории сильно уменьшенной «большой математической картины» и того, как все математические объекты соотносятся друг с другом. в самом общем смысле. Очень важное практическое использование такого определения можно найти в квантовой механике : тензорное произведение в этой форме позволяет нам говорить о волновой функции системы двух частицы как абстрактный вектор гильбертова пространства без необходимости указывать конкретный базис из наблюдаемых.

Маленький шаг к абстрактному тензорному произведению: свободное векторное пространство

Первый шаг, который мы Рассмотрим включает введение чего-то, что называется «свободное векторное пространство » над заданным набором. Суть этой идеи в основном состоит в том, что мы сказали в последнем пункте: поскольку тензор T {\ displaystyle T}Tможет быть записан двойной суммой

T = ∑ i = 1 n ∑ j знак равно 1 м (viwj) (ei ⊗ fj) {\ displaystyle T = \ sum _ {i = 1} ^ {n} \ sum _ {j = 1} ^ {m} (v_ {i} w_ { j}) (\ mathbf {e} _ {i} \ otimes \ mathbf {f} _ {j})}{\displaystyle T=\sum _{i=1}^{n}\sum _{j=1}^{m}(v_{i}w_{j})(\mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {f} _{j})}

наиболее естественный способ подойти к этой проблеме - как-то выяснить, как мы можем «забыть» о конкретный выбор оснований e {\ displaystyle \ mathbf {e}}\mathbf {e} и f {\ displaystyle \ mathbf {f}}\mathbf {f} , которые используются здесь. В математике мы «забываем» о репрезентативных деталях чего-либо, устанавливая идентификацию, которая говорит нам, что две разные вещи, которые следует рассматривать как репрезентации одного и того же предмета, на самом деле таковы, т.е., они есть »или« нет, они не », а затем« объединить вместе »все репрезентации как составляющие« представляемую вещь »без ссылки на какую-либо конкретную вещь, упаковывая их все вместе в единый набор. Формально мы сначала строим отношение эквивалентности, а затем берем фактормножество по этому отношению.

Но прежде чем мы сможем это сделать, нам сначала нужно разработать то, что мы собираемся использовать в отношении отношения эквивалентности. Мы делаем это с другой стороны, «снизу вверх»: поскольку нам не гарантируется, по крайней мере, конструктивная основа при запуске из произвольных векторных пространств, мы могли бы вместо этого попытаться начать с гарантии того, что у нас есть один - то есть мы начнем сначала с рассмотрения «основы» как данности, а затем построим векторное пространство поверх него. Для этого мы выполняем следующее: предположим, что B {\ displaystyle B}B- это некоторый набор, который мы могли бы назвать абстрактным базисным набором. Теперь рассмотрим все формальные выражения вида

v = a 1 β 1 + a 2 β 2 + ⋯ + an β n {\ displaystyle \ mathbf {v} = a_ {1} \ beta _ {1} + a_ { 2} \ beta _ {2} + \ cdots + a_ {n} \ beta _ {n}}{\displaystyle \mathbf {v} =a_{1}\beta _{1}+a_{2}\beta _{2}+\cdots +a_{n}\beta _{n}}

произвольной, но конечной длины n {\ displaystyle n}nи для которые aj {\ displaystyle a_ {j}}a_{j}являются скалярами, а β j {\ displaystyle \ beta _ {j}}\beta _{j}являются членами B {\ Displaystyle B}B. Интуитивно это линейная комбинация базисных векторов в обычном смысле расширения элемента векторного пространства. Мы называем это «формальным выражением», потому что технически незаконно умножать aj β j {\ displaystyle a_ {j} \ beta _ {j}}{\displaystyle a_{j}\beta _{j}}, поскольку по умолчанию нет определенной операции умножения. на произвольном множестве и произвольном поле скаляров. Вместо этого мы «притворимся» (аналогично определению мнимых чисел ), что это относится к чему-то, а затем будем манипулировать этим в соответствии с правилами, которые мы ожидаем для векторного пространства, например сумма двух таких строк, использующих одну и ту же последовательность членов B {\ displaystyle B}B, равна

(a 1 β 1 + a 2 β 2 + ⋯ + an β n) + (б 1 β 1 + б 2 β 2 + ⋯ + bn β N) знак равно (a 1 + b 1) β 1 + (a 2 + b 2) β 2 + ⋯ + (an + bn) β N {\ Displaystyle (a_ {1} \ beta _ {1} + a_ {2} \ beta _ {2} + \ cdots + a_ {n} \ beta _ {n}) + (b_ {1} \ beta _ {1} + b_ {2} \ beta _ {2} + \ cdots + b_ {n} \ beta _ {n}) = (a_ {1} + b_ {1}) \ beta _ {1} + (a_ {2} + b_ {2}) \ beta _ {2} + \ cdots + (a_ {n} + b_ {n}) \ beta _ {n}}{\displaystyle (a_{1}\beta _{1}+a_{2}\beta _{2}+\cdots +a_{n}\beta _{n})+(b_{1}\beta _{1}+b_{2}\beta _{2}+\cdots +b_{n}\beta _{n})=(a_{1}+b_{1})\beta _{1}+(a_{2}+b_{2})\beta _{2}+\cdots +(a_{n}+b_{n})\beta _{n}}

где мы использовали ассоциативный, коммутативный и распределительный законы для преобразования первой суммы во вторую. Продолжение этого способа для скалярных кратных и всех комбинаций векторов разной длины позволяет нам построить векторное сложение и скалярное умножение на этом наборе формальных выражений, и мы называем это свободным векторным пространством на B {\ displaystyle B}B, запись F (B) {\ displaystyle F (B)}{\displaystyle F(B)}. Обратите внимание, что элементы B {\ displaystyle B}B, рассматриваемые как формальные выражения длины один с коэффициентом 1 спереди, образуют базис Гамеля для этого пространства.

Выражение тензорного произведения затем абстрагируется с учетом того, что если β j {\ displaystyle \ beta _ {j}}\beta _{j}и γ j {\ displaystyle \ gamma _ {j}}\gamma_jпредставляют «абстрактные базисные векторы» из двух наборов B {\ displaystyle B}Bи G {\ displaystyle G}G, т.е. что «β j = ej {\ displaystyle \ beta _ {j} = \ mathbf {e} _ {j}}{\displaystyle \beta _{j}=\mathbf {e} _{j}}» и «γ j = fj {\ displaystyle \ gamma _ {j} = \ mathbf {f} _ {j}}{\displaystyle \gamma _{j}=\mathbf {f} _{j}}", затем пары из них в декартовом произведении B × G {\ displaystyle B \ times G}{\displaystyle B\times G}, т. Е. (β i, γ j) {\ displaystyle (\ beta _ {i}, \ gamma _ {j})}{\displaystyle (\beta _{i},\gamma _{j})}, используются для обозначения тензорных произведений ei ⊗ fj {\ displaystyle \ mathbf {e} _ {i} \ otimes \ mathbf {f} _ {j}}{\displaystyle \mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {f} _{j}}. (Обратите внимание, что тензорные произведения в выражении в некотором смысле «атомарны», т.е. сложения и скалярные умножения не разделяют их ни на что другое, поэтому мы можем заменить их чем-то другим, не изменяя математическую структуру.) С такой идентификацией., мы можем таким образом определить тензорное произведение двух свободных векторных пространств F (B) {\ displaystyle F (B)}{\displaystyle F(B)}и F (G) {\ displaystyle F (G)}{\displaystyle F(G)}как нечто (еще не определенное), изоморфное F (B × G) {\ displaystyle F (B \ times G)}{\displaystyle F(B\times G)}.

Использование свободного векторного пространства для "забывания" "о базисе

Приведенное выше определение будет работать для любого векторного пространства, в котором мы можем указать базис, поскольку мы можем просто перестроить его как свободное векторное пространство над этим базисом: приведенная выше конструкция точно отражает то, как вы представляете векторов через построение базиса Гамеля по замыслу. По сути, мы ничего не добились... пока не сделаем это.

Теперь мы не предполагаем доступа к базам векторных пространств V {\ displaystyle V}Vи W {\ displaystyle W}W, которые мы хотим сформировать тензорное произведение V ⊗ W {\ displaystyle V \ otimes W}V\otimes Wof. Вместо этого мы возьмем все элементы V {\ displaystyle V}Vи W {\ displaystyle W}Wв качестве «основы» для построения тензоров. Это следующая лучшая вещь и единственная вещь, которую мы гарантированно сможем сделать, независимо от каких-либо проблем с поиском конкретной основы; это соответствует сложению вместе произвольных внешних произведений v ⊗ w {\ displaystyle \ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {w}}{\displaystyle \mathbf {v} \otimes \mathbf {w} }произвольных векторов в последней части раздела «Интуитивная мотивация». Единственная разница здесь в том, что если мы используем конструкцию свободного векторного пространства и сформируем очевидное F (V) ⊗ F (W) = F (V × W) {\ displaystyle F (V) \ otimes F (W) = F (V \ times W)}{\displaystyle F(V)\otimes F(W)=F(V\times W)}, у него будет много повторяющихся версий того, что должно быть тем же тензором; возвращаясь к нашему базисному случаю, если мы рассмотрим пример, где V = W = R 2 {\ displaystyle V = W = \ mathbb {R} ^ {2}}{\displaystyle V=W=\mathbb {R} ^{2}}в стандартном базисе, мы может считать, что тензор, образованный векторами x = [0 3] T {\ displaystyle \ mathbf {x} = {\ begin {bmatrix} 0 3 \ end {bmatrix}} ^ {\ mathsf {T}}}{\displaystyle \mathbf {x} ={\begin{bmatrix}03\end{bmatrix}}^{\mathsf {T}}}и y = [5–3] T {\ displaystyle \ mathbf {y} = {\ begin {bmatrix} 5 -3 \ end {bmatrix}} ^ {\ mathsf {T}} }{\displaystyle \mathbf {y} ={\begin{bmatrix}5-3\end{bmatrix}}^{\mathsf {T}}}, т. Е.

T: = x ⊗ y = [0 0 15–9], {\ displaystyle T: = \ mathbf {x} \ otimes \ mathbf {y} = {\ begin { bmatrix} 0 0 \\ 15 -9 \ end {bmatrix}},}{\displaystyle T:=\mathbf {x} \otimes \mathbf {y} ={\begin{bmatrix}00\\15-9\end{bmatrix}},}

также может быть представлено другими суммами, такими как сумма с использованием отдельных базовых тензоров ei ⊗ ej {\ displaystyle \ mathbf {e} _ {i} \ otimes \ mathbf {e} _ {j}}{\displaystyle \mathbf {e} _{i}\otimes \mathbf {e} _{j}}, например

T = 0 (e 1 ⊗ e 1) + 0 (e 1 ⊗ e 2) + 15 (e 2 ⊗ e 1) - 9 (e 2 ⊗ e 2). {\ displaystyle T = 0 (\ mathbf {e} _ {1} \ otimes \ mathbf {e} _ {1}) + 0 (\ mathbf {e} _ {1} \ otimes \ mathbf {e} _ {2 }) + 15 (\ mathbf {e} _ {2} \ otimes \ mathbf {e} _ {1}) - 9 (\ mathbf {e} _ {2} \ otimes \ mathbf {e} _ {2}).}{\displaystyle T=0(\mathbf {e} _{1}\otimes \mathbf {e} _{1})+0(\mathbf {e} _{1}\otimes \mathbf {e} _{2})+15(\mathbf {e} _{2}\otimes \mathbf {e} _{1})-9(\mathbf {e} _{2}\otimes \mathbf {e} _{2}).}

Эти выражения, хотя в конкретном случае они равны, будут соответствовать различным элементам свободного векторного пространства F (V × W) {\ displaystyle F (V \ times W)}F(V \times W), а именно

T = (x, y) {\ displaystyle T = (x, y)}{\displaystyle T=(x,y)}

в первом случае и

T = 0 (e 1, e 1) + 0 (e 1, e 2) + 15 (e 2, e 1) - 9 (e 2, e 2) {\ displaystyle T = 0 (e_ {1}, e_ {1}) + 0 (e_ {1}, e_ {2 }) + 15 (e_ {2}, e_ {1}) - 9 (e_ {2}, e_ {2})}{\displaystyle T=0(e_{1},e_{1})+0(e_{1},e_{2})+15(e_{2},e_{1})-9(e_{2},e_{2})}

во втором случае. Таким образом, мы должны их сжать - здесь вступает в игру отношение эквивалентности. Уловка для его построения состоит в том, чтобы заметить, что для любого вектора x {\ displaystyle \ mathbf {x}}\mathbf {x} в векторном пространстве его всегда можно представить как сумму двух других векторов a {\ displaystyle \ mathbf {a}}\mathbf {a} и b {\ displaystyle \ mathbf {b}}\mathbf {b} не соответствует оригиналу. Если ничего другого, пусть a {\ displaystyle \ mathbf {a}}\mathbf {a} будет любым вектором, а затем возьмем b: = x - a {\ displaystyle \ mathbf {b}: = \ mathbf {x} - \ mathbf {a}}{\displaystyle \mathbf {b} :=\mathbf {x} -\mathbf {a} }- что также показывает, что если нам дан один вектор, а затем второй вектор, мы можем записать первый вектор в терминах второго вместе с подходящим третьим вектор (действительно, по-разному - просто рассмотрите скалярные числа, кратные второму вектору в том же вычитании).

Это полезно для нас, потому что внешнее произведение удовлетворяет следующим свойствам линейности, которые могут быть доказаны простой алгеброй на соответствующих матричных выражениях:

(u ⊗ v) T = (v ⊗ u) ( v + вес) ⊗ U знак равно v ⊗ U + вес ⊗ uu ⊗ (v + w) = u ⊗ v + u ⊗ wc (v ⊗ u) = (cv) ⊗ u = v ⊗ (cu) {\ displaystyle {\ начало {выровнено} (\ mathbf {u} \ otimes \ mathbf {v}) ^ {\ mathsf {T}} = (\ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {u}) \\ (\ mathbf {v} + \ mathbf {w}) \ otimes \ mathbf {u} = \ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {u} + \ mathbf {w} \ otimes \ mathbf {u} \\\ mathbf {u} \ otimes (\ mathbf {v} + \ mathbf {w}) = \ mathbf {u} \ otimes \ mathbf {v} + \ mathbf {u} \ otimes \ mathbf {w} \\ c (\ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {u}) = (c \ mathbf {v}) \ otimes \ mathbf {u} = \ mathbf {v} \ otimes (c \ mathbf {u}) \ end {align}}}{\displaystyle {\begin{aligned}(\mathbf {u} \otimes \mathbf {v})^{\mathsf {T}}=(\mathbf {v} \otimes \mathbf {u})\\(\mathbf {v} +\mathbf {w})\otimes \mathbf {u} =\mathbf {v} \otimes \mathbf {u} +\mathbf {w} \otimes \mathbf {u} \\\mathbf {u} \otimes (\mathbf {v} +\mathbf {w})=\mathbf {u} \otimes \mathbf {v} +\mathbf {u} \otimes \mathbf {w} \\c(\mathbf {v} \otimes \mathbf {u})=(c\mathbf {v})\otimes \mathbf {u} =\mathbf {v} \otimes (c\mathbf {u})\end{aligned}}}

Если мы хотим связать внешний продукт v ⊗ w {\ displaystyle \ mathbf {v} \ otimes \ mathbf {w}}{\displaystyle \mathbf {v} \otimes \mathbf {w} }, скажем, e 1 ⊗ w {\ displaystyle \ mathbf {e_ {1}} \ otimes \ mathbf {w}}{\displaystyle \mathbf {e_{1}} \otimes \mathbf {w} }, мы можем использовать первое отношение выше вместе с подходящим выражением v {\ displaystyle \ mathbf {v}}\mathbf {v} как сумму некоторого вектора и некоторого скалярного кратного e 1 {\ displaystyle \ mathbf {e_ {1}}}\mathbf{e_1}.

Тогда получается равенство между двумя конкретными тензорами, если использование приведенных выше правил позволит нам переставить одну сумму внешних произведений в другую, соответствующим образом разложив векторы - независимо от того, есть ли у нас набор фактических базисных векторов. Применяя это к нашему примеру выше, мы видим, что, конечно, у нас есть

x = 0 e 1 + 3 e 2 y = 5 e 1-3 e 2 {\ displaystyle {\ begin {align} \ mathbf {x} = 0 \ mathbf {e} _ {1} +3 \ mathbf {e} _ {2} \\\ mathbf {y} = 5 \ mathbf {e} _ {1} -3 \ mathbf {e} _ { 2} \ end {align}}}{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {x} =0\mathbf {e} _{1}+3\mathbf {e} _{2}\\\mathbf {y} =5\mathbf {e} _{1}-3\mathbf {e} _{2}\end{aligned}}}

для которого замена в

T = x ⊗ y {\ displaystyle T = \ mathbf {x} \ otimes \ mathbf {y}}{\displaystyle T=\mathbf {x} \otimes \mathbf {y} }

дает нам

T знак равно (0 e 1 + 3 e 2) ⊗ (5 e 1-3 e 2) {\ displaystyle T = (0 \ mathbf {e} _ {1} +3 \ mathbf {e} _ {2}) \ otimes (5 \ mathbf {e} _ {1} -3 \ mathbf {e} _ {2})}{\displaystyle T=(0\mathbf {e} _{1}+3\mathbf {e} _{2})\otimes (5\mathbf {e} _{1}-3\mathbf {e} _{2})}

и разумное использование свойств дистрибутивности позволяет нам преобразовать в желаемую форму. Точно так же существует соответствующая «зеркальная» манипуляция с точки зрения элементов свободного векторного пространства (x, y) {\ displaystyle (x, y)}(x,y)и (e 1, e 1) {\ displaystyle (e_ {1}, e_ {1})}{\displaystyle (e_{1},e_{1})}, (e 1, e 2) {\ displaystyle (e_ {1}, e_ {2})}{\displaystyle (e_{1},e_{2})}и т. Д.., и это, наконец, приводит нас к формальному определению тензорного произведения.

Определение абстрактного тензорного произведения

Абстрактное тензорное произведение двух векторных пространств V {\ displaystyle V}Vи W {\ displaystyle W}Wнад общим базовым полем K {\ displaystyle K}K- это факторное векторное пространство

V ⊗ W: = F (V × W) / ∼ {\ displaystyle V \ otimes W: = F (V \ times W) / {\ sim}}{\displaystyle V\otimes W:=F(V\times W)/{\sim }}

где ∼ {\ displaystyle \ sim}\sim является отношением эквивалентности формального равенства, полученным путем предположения, что для каждого (v, w) {\ displaystyle (v, w)}(v,w)и (v ′, w ') {\ displaystyle (v', w ')}{\displaystyle (v',w')}в качестве формальных выражений в свободном векторном пространстве F (V × W) {\ displaystyle F (V \ times W)}F(V \times W), выполняется следующее:

Идентификатор. (v, w) ∼ (v, w). {\ displaystyle (v, w) \ sim (v, w).}{\displaystyle (v,w)\sim (v,w).}
Симметрия. (v, w) ∼ (v ', w') {\ displaystyle (v, w) \ sim (v ', w')}{\displaystyle (v,w)\sim (v',w')}подразумевает (v ', w') ∼ (v, w). {\ displaystyle (v ', w') \ sim (v, w).}{\displaystyle (v',w')\sim (v,w).}
Транзитивность. (v, w) ∼ (v ', w') {\ displaystyle (v, w) \ sim (v ', w')}{\displaystyle (v,w)\sim (v',w')}и (v ', w') ∼ (v ″, w ″) {\ displaystyle (v ', w') \ sim (v '', w '')}{\displaystyle (v',w')\sim (v'',w'')}подразумевает (v, w) ∼ (v ″, w ″). {\ displaystyle (v, w) \ sim (v '', w '').}{\displaystyle (v,w)\sim (v'',w'').}
Распределимость. (v, w) + (v ', w) ∼ (v + v', w) {\ displaystyle (v, w) + (v ', w) \ sim (v + v', w)}{\displaystyle (v,w)+(v',w)\sim (v+v',w)}и (v, w) + (v, w ′) ∼ (v, w + w ′). {\ displaystyle (v, w) + (v, w ') \ sim (v, w + w').}{\displaystyle (v,w)+(v,w')\sim (v,w+w').}
Скалярные кратные. c (v, w) ∼ (cv, w) {\ displaystyle c (v, w) \ sim (cv, w)}{\displaystyle c(v,w)\sim (cv,w)}и c (v, w) ∼ ( v, cw). {\ displaystyle c (v, w) \ sim (v, cw).}{\displaystyle c(v,w)\sim (v,cw).}

, а затем проверка эквивалентности общих формальных выражений с помощью подходящих манипуляций на их основе. Арифметика определяется на тензорном произведении путем выбора репрезентативных элементов, применения арифметических правил и, наконец, взятия класса эквивалентности. Кроме того, для любых двух векторов v ∈ V {\ displaystyle v \ in V}v\in Vи w ∈ W {\ displaystyle w \ in W}w\in Wэквивалентность класс [(v, w)] {\ displaystyle [(v, w)]}{\displaystyle [(v,w)]}обозначается v ⊗ w {\ displaystyle v \ otimes w}v\otimes w.

Свойства

Обозначение

Элементы V ⊗ W часто называют тензорами, хотя этот термин также относится ко многим другим связанным понятиям. Если v принадлежит V, а w принадлежит W, то класс эквивалентности (v, w) обозначается через v ⊗ w, что называется тензорным произведением v на w. В физике и технике такое использование символа «⊗» относится конкретно к операции внешнего продукта ; результат внешнего произведения v ⊗ w является одним из стандартных способов представления класса эквивалентности v w. Элемент из V ⊗ W, который можно записать в виде v ⊗ w, называется чистым или простым тензором. В общем, элемент пространства тензорного произведения - это не чистый тензор, а скорее конечная линейная комбинация чистых тензоров. Например, если v 1 и v 2 являются линейно независимыми, а w 1 и w 2 являются также линейно независимый, то v 1 ⊗ w 1 + v 2 ⊗ w 2 не может быть записан как чистый тензор. Количество простых тензоров, необходимых для выражения элемента тензорного произведения, называется тензорным рангом (не путать с тензорным порядком, который представляет собой количество пробелов, которые взяты произведение, в данном случае 2; в обозначениях - количество индексов), и для линейных операторов или матриц, рассматриваемых как (1, 1) тензоры (элементы пространства V ⊗ V), это согласуется с матрицей rank.

Размерность

Для заданных баз {v i } и {w j } для V и W соответственно, тензоры {v i ⊗ w j } образуют базис для V ⊗ W. Следовательно, если V и W конечномерны, размерность тензорного произведения является произведением размерностей исходных пространств; например, R⊗ Rизоморфен R.

Тензорному произведению линейных отображений

Тензорное произведение также работает с линейными отображениями между векторными пространствами. В частности, для двух линейных отображений S: V → X и T: W → Y между векторными пространствами тензорное произведение двух линейных отображений S и T является линейным отображением

S ⊗ T: V ⊗ W → X ⊗ Y {\ Displaystyle S \ otimes T: V \ otimes W \ to X \ otimes Y}{\displaystyle S\otimes T:V\otimes W\to X\otimes Y}

, определенный как

(S ⊗ T) (v ⊗ w) = S (v) ⊗ T (w). {\ displaystyle (S \ otimes T) (v \ otimes w) = S (v) \ otimes T (w).}(S\otimes T)(v\otimes w)=S(v)\otimes T(w).

Таким образом, тензорное произведение становится бифунктором из категории векторных пространств самому себе, ковариантный в обоих аргументах.

Если S и T оба являются инъективными, сюръективными или (в случае, V, X, W и Y - нормированные векторные пространства или топологические векторные пространства ) непрерывные, тогда S ⊗ T инъективно, сюръективно или непрерывно, соответственно.

Путем выбора базисов всех задействованных векторных пространств линейные карты S и T могут быть представлены матрицами . Затем, в зависимости от того, как векторизуется тензор v ⊗ w {\ displaystyle v \ otimes w}v\otimes w, матрица, описывающая тензорное произведение S ⊗ T, является произведением Кронекера две матрицы. Например, если V, X, W и Y, указанные выше, все двумерны и для всех них фиксированы базы, а S и T задаются матрицами

A = [a 1, 1 a 1, 2 a 2, 1 a 2, 2], B = [b 1, 1 b 1, 2 b 2, 1 b 2, 2], {\ displaystyle A = {\ begin {bmatrix} a_ {1,1} и a_ {1,2} \\ a_ {2,1} a_ {2,2} \\\ end {bmatrix}}, \ qquad B = {\ begin {bmatrix} b_ {1,1} b_ {1,2} \\ b_ {2,1} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix}},}{\displaystyle A={\begin{bmatrix}a_{1,1}a_{1,2}\\a_{2,1}a_{2,2}\\\end{bmatrix}},\qquad B={\begin{bmatrix}b_{1,1}b_{1,2}\\b_{2,1}b_{2,2}\\\end{bmatrix}},}

соответственно, то тензорное произведение этих двух матриц равно

[a 1, 1 a 1, 2 a 2, 1 a 2, 2] ⊗ [b 1, 1 b 1, 2 b 2, 1 b 2, 2] = [a 1, 1 [b 1, 1 b 1, 2 b 2, 1 b 2, 2] a 1, 2 [b 1, 1 b 1, 2 b 2, 1 b 2, 2] a 2, 1 [b 1, 1 b 1, 2 b 2, 1 b 2, 2] a 2, 2 [b 1, 1 b 1, 2 b 2, 1 b 2, 2]] = [a 1, 1 b 1, 1 a 1, 1 b 1, 2 a 1, 2 b 1, 1 a 1, 2 b 1, 2 a 1, 1 b 2, 1 a 1, 1 b 2, 2 a 1, 2 b 2, 1 a 1, 2 b 2, 2 a 2, 1 b 1, 1 a 2, 1 b 1, 2 a 2, 2 b 1, 1 a 2, 2 b 1, 2 a 2, 1 b 2, 1 a 2, 1 b 2, 2 a 2, 2 b 2, 1 a 2, 2 b 2, 2]. {\ displaystyle {\ begin {bmatrix} a_ {1,1} a_ {1,2} \\ a_ {2,1} a_ {2,2} \\\ end {bmatrix}} \ otimes {\ begin {bmatrix } b_ {1,1} b_ {1,2} \\ b_ {2,1} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} a_ {1,1} {\ begin {bmatrix} b_ {1,1} b_ {1,2} \\ b_ {2,1} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix}} a_ {1,2} {\ begin {bmatrix} b_ {1,1} b_ {1,2} \\ b_ {2,1} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix}} \\ [3pt] a_ {2,1} {\ begin {bmatrix } b_ {1,1} b_ {1,2} \\ b_ {2,1} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix}} a_ {2,2} {\ begin {bmatrix} b_ {1, 1} b_ {1,2} \\ b_ {2,1} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix}} \\\ end {bmatrix}} = {\ begin {bmatrix} a_ {1, 1} b_ {1,1} a_ {1,1} b_ {1,2} a_ {1,2} b_ {1,1} a_ {1,2} b_ {1,2} \\ a_ {1, 1} b_ {2,1} a_ {1,1} b_ {2,2} a_ {1,2} b_ {2,1} a_ {1,2} b_ {2,2} \\ a_ {2, 1} b_ {1,1} a_ {2,1} b_ {1,2} a_ {2,2} b_ {1,1} a_ {2,2} b_ {1,2} \\ a_ {2, 1} b_ {2,1} a_ {2,1} b_ {2,2} a_ {2,2} b_ {2,1} a_ {2,2} b_ {2,2} \\\ end {bmatrix }}.}{\displaystyle {\begin{bmatrix}a_{1,1}a_{1,2}\\a_{2,1}a_{2,2}\\\end{bmatrix}}\otimes {\begin{bmatrix}b_{1,1}b_{1,2}\\b_{2,1}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}a_{1,1}{\begin{bmatrix}b_{1,1}b_{1,2}\\b_{2,1}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}a_{1,2}{\begin{bmatrix}b_{1,1}b_{1,2}\\b_{2,1}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}\\[3pt]a_{2,1}{\begin{bmatrix}b_{1,1}b_{1,2}\\b_{2,1}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}a_{2,2}{\begin{bmatrix}b_{1,1}b_{1,2}\\b_{2,1}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}\\\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}a_{1,1}b_{1,1}a_{1,1}b_{1,2}a_{1,2}b_{1,1}a_{1,2}b_{1,2}\\a_{1,1}b_{2,1}a_{1,1}b_{2,2}a_{1,2}b_{2,1}a_{1,2}b_{2,2}\\a_{2,1}b_{1,1}a_{2,1}b_{1,2}a_{2,2}b_{1,1}a_{2,2}b_{1,2}\\a_{2,1}b_{2,1}a_{2,1}b_{2,2}a_{2,2}b_{2,1}a_{2,2}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}.}

Результирующий ранг не превосходит 4, и, таким образом, результирующая размерность равна 4. Обратите внимание, что ранг здесь означает тензорный ранг , т.е. количество необходимых индексов (в то время как ранг матрицы подсчитывает количество степеней свободы в результирующем массиве). Примечание Tr ⁡ A ⊗ B = Tr ⁡ A × Tr ⁡ B {\ displaystyle \ operatorname {Tr} A \ otimes B = \ operatorname {Tr} A \ times \ operatorname {Tr} B}{\displaystyle \operatorname {Tr} A\otimes B=\operatorname {Tr} A\times \operatorname {Tr} B}.

A диадическое произведение - частный случай тензорного произведения двух векторов одной размерности.

Универсальное свойство

Эта коммутативная диаграмма представляет универсальное свойство тензорного произведения. Здесь φ {\ displaystyle \ varphi}\varphi и h {\ displaystyle h}hбилинейны, тогда как h ~ {\ displaystyle {\ tilde {h }}}{\displaystyle {\tilde {h}}}является линейным.

В контексте векторных пространств тензорное произведение V ⊗ W {\ displaystyle V \ otimes W}V\otimes Wи связанное с ним билинейное отображение φ: V × W → V ⊗ W {\ displaystyle \ varphi: V \ times W \ to V \ otimes W}{\displaystyle \varphi :V\times W\to V\otimes W}характеризуются с точностью до изоморфизма универсальным свойством относительно билинейных карт. (Напомним, что билинейное отображение - это функция, которая по отдельности линейна по каждому из своих аргументов.) Неформально, φ {\ displaystyle \ varphi}\varphi является наиболее общим билинейным отображением из V × W {\ displaystyle V \ times W}V\times W.

Векторное пространство V ⊗ W {\ displaystyle V \ otimes W}V\otimes Wи связанное с ним билинейное отображение φ: V × W → V ⊗ W {\ displaystyle \ varphi: V \ times W \ to V \ otimes W}{\displaystyle \varphi :V\times W\to V\otimes W}обладает тем свойством, что любое билинейное отображение h: V × W → Z {\ displaystyle h: V \ раз W \ до Z}{\displaystyle h:V\times W\to Z}от V × W {\ displaystyle V \ times W}V\times Wдо любого векторного пространства Z {\ displaystyle Z}Zуникально множится через φ {\ displaystyle \ varphi}\varphi . Говоря «h {\ displaystyle h}hмножители через φ {\ displaystyle \ varphi}\varphi уникально», мы подразумеваем, что существует уникальная линейная карта час ~: V ⊗ W → Z {\ displaystyle {\ tilde {h}}: V \ otimes W \ to Z}{\displaystyle {\tilde {h}}:V\otimes W\to Z}такой, что h = h ~ ∘ φ {\ displaystyle h = {\ tilde {h}} \ circ \ varphi}{\displaystyle h={\tilde {h}}\circ \varphi }.

Эта характеризация может упростить доказательство тензорного произведения. Например, тензорное произведение является симметричным, то есть существует канонический изоморфизм :

V ⊗ W ≅ W ⊗ V. {\ displaystyle V \ otimes W \ cong W \ otimes V.}V\otimes W\cong W\otimes V.

Чтобы построить, скажем, карту из V ⊗ W {\ displaystyle V \ otimes W}V\otimes Wв W ⊗ V {\ displaystyle W \ otimes V}{\displaystyle W\otimes V}, достаточно получить билинейное отображение h: V × W → W ⊗ V {\ displaystyle h: V \ times W \ to W \ otimes V}{\displaystyle h:V\times W\to W\otimes V}, который отображает (v, w) {\ displaystyle (v, w)}(v,w)на w ⊗ v {\ displaystyle w \ otimes v}w\otimes v. Тогда универсальное свойство V ⊗ W {\ displaystyle V \ otimes W}V\otimes Wозначает, что h {\ displaystyle h}hучитывает карту h ~ : V ⊗ W → W ⊗ V {\ displaystyle {\ tilde {h}}: от V \ otimes W \ to W \ otimes V}{\displaystyle {\tilde {h}}:V\otimes W\to W\otimes V}. Аналогично определяется карта g ~: W ⊗ V → V ⊗ W {\ displaystyle {\ tilde {g}}: W \ otimes V \ to V \ otimes W}{\displaystyle {\tilde {g}}:W\otimes V\to V\otimes W}в противоположном направлении., и один проверяет, что две линейные карты h ~ {\ displaystyle {\ tilde {h}}}{\displaystyle {\tilde {h}}}и g ~ {\ displaystyle {\ tilde {g}}}{\tilde {g}}являются обратными друг другу, снова используя свои универсальные свойства.

Универсальное свойство чрезвычайно полезно для демонстрации инъективности отображения тензорного произведения. Например, предположим, что мы хотим показать, что R ⊗ R {\ displaystyle \ mathbb {R} \ otimes \ mathbb {R}}{\displaystyle \mathbb {R} \otimes \mathbb {R} }изоморфен R {\ displaystyle \ mathbb { R}}\mathbb {R} . Поскольку все простые тензоры имеют вид a ⊗ b = (ab) ⊗ 1 {\ displaystyle a \ otimes b = (ab) \ otimes 1}{\displaystyle a\otimes b=(ab)\otimes 1}, и, следовательно, все элементы тензорного произведения имеют форму x ⊗ 1 {\ displaystyle x \ otimes 1}{\displaystyle x\otimes 1}по аддитивности по первой координате, у нас есть естественный кандидат на изоморфизм R → R ⊗ R {\ displaystyle \ mathbb {R} \ rightarrow \ mathbb {R} \ otimes \ mathbb {R}}{\displaystyle \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} \otimes \mathbb {R} }задано преобразованием x {\ displaystyle x}xв x ⊗ 1 {\ displaystyle x \ otimes 1}{\displaystyle x\otimes 1}, и эта карта тривиально сюръективна.

Прямая демонстрация приемистости подразумевает демонстрацию отсутствия нетривиальных взаимосвязей между x ⊗ 1 {\ displaystyle x \ otimes 1}{\displaystyle x\otimes 1}и y ⊗ 1 { \ displaystyle y \ otimes 1}{\displaystyle y\otimes 1}для x ≠ y {\ displaystyle x \ neq y}x\neq y, что кажется сложным. Однако мы знаем, что существует билинейное отображение R × R → R {\ displaystyle \ mathbb {R} \ times \ mathbb {R} \ rightarrow \ mathbb {R}}{\displaystyle \mathbb {R} \times \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} }, заданное умножением координаты вместе, а универсальное свойство тензорного произведения затем дает карту векторных пространств R ⊗ R → R {\ displaystyle \ mathbb {R} \ otimes \ mathbb {R} \ rightarrow \ mathbb {R}}{\displaystyle \mathbb {R} \otimes \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} }который отображает x ⊗ 1 {\ displaystyle x \ otimes 1}{\displaystyle x\otimes 1}в x {\ displaystyle x}xи, следовательно, является обратным построенного ранее гомоморфизма, что сразу дает желаемый результат. Обратите внимание, что априори даже не ясно, правильно ли определено это обратное отображение, но универсальное свойство и связанное с ним билинейное отображение вместе подразумевают, что это так.

Аналогичные рассуждения можно использовать, чтобы показать, что тензорное произведение ассоциативно, то есть существуют естественные изоморфизмы

V 1 ⊗ (V 2 ⊗ V 3) ≅ (V 1 ⊗ V 2) ⊗ V 3. {\ displaystyle V_ {1} \ otimes (V_ {2} \ otimes V_ {3}) \ cong (V_ {1} \ otimes V_ {2}) \ otimes V_ {3}.}V_{1}\otimes (V_{2}\otimes V_{3})\cong (V_{1}\otimes V_{2})\otimes V_{3}.

Следовательно, это круглые скобки обычно опускают и пишут V 1 ⊗ V 2 ⊗ V 3 {\ displaystyle V_ {1} \ otimes V_ {2} \ otimes V_ {3}}{\displaystyle V_{1}\otimes V_{2}\otimes V_{3}}.

Категория векторных пространств с тензорным произведением пример симметричной моноидальной категории.

Определение универсального свойства тензорного произведения действительно в большем количестве категорий, чем только категория векторных пространств. Вместо использования полилинейных (билинейных) отображений в общем определении тензорного произведения используются мультиморфизмы.

Тензорные степени и плетение

Пусть n - неотрицательное целое число. N-я тензорная степень векторного пространства V представляет собой n-кратное тензорное произведение V на себя. Это

V ⊗ n = d e f V ⊗ ⋯ ⊗ V ⏟ n. {\ displaystyle V ^ {\ otimes n} \; {\ overset {\ mathrm {def}} {=}} \; \ underbrace {V \ otimes \ cdots \ otimes V} _ {n}.}V^{\otimes n}\;{\overset {\mathrm {def} }{=}}\;\underbrace {V\otimes \cdots \otimes V} _{n}.

A перестановка σ множества {1, 2,..., n} определяет отображение n-й декартовой степени V следующим образом:

{σ: V n → V n σ (v 1, v 2, …, Vn) знак равно (v σ (1), v σ (2),…, v σ (n)) {\ displaystyle {\ begin {cases} \ sigma: V ^ {n} \ to V ^ {n} \\\ sigma (v_ {1}, v_ {2}, \ ldots, v_ {n}) = \ left (v _ {\ sigma (1)}, v _ {\ sigma (2)}, \ ldots, v_ { \ sigma (n)} \ right) \ end {ases}}{\displaystyle {\begin{cases}\sigma :V^{n}\to V^{n}\\\sigma (v_{1},v_{2},\ldots,v_{n})=\left(v_{\sigma (1)},v_{\sigma (2)},\ldots,v_{\sigma (n)}\right)\end{cases}}}

Пусть

φ: V n → V ⊗ n {\ displaystyle \ varphi: V ^ {n} \ to V ^ {\ otimes n }}{\displaystyle \varphi :V^{n}\to V^{\otimes n}}

- естественное полилинейное вложение декартовой степени V в тензорную степень V. Тогда по универсальному свойству существует единственный изоморфизм

τ σ: V ⊗ n → V ⊗ n {\ displaystyle \ tau _ {\ sigma}: V ^ {\ otimes n} \ to V ^ {\ otimes n}}\tau _{\sigma }:V^{\otimes n}\to V^{\otimes n}

такой, что

φ ∘ σ = τ σ ∘ φ. {\ displaystyle \ varphi \ circ \ sigma = \ tau _ {\ sigma} \ circ \ varphi.}\varphi \circ \sigma =\tau _{\sigma }\circ \varphi.

Изоморфизм τ σ называется картой плетения, связанной с перестановка σ.

Произведение тензоров

Для неотрицательных целых чисел r и sa тип (r, s) тензор в векторном пространстве V является элементом

T sr (V) = V ⋯ ⊗ V ⏟ r ⊗ V ∗ ⊗ ⋯ V ∗ ⏟ s = V ⊗ r ⊗ (V ∗) ⊗ s. {\ displaystyle T_ {s} ^ {r} (V) = \ underbrace {V \ otimes \ cdots \ otimes V} _ {r} \ otimes \ underbrace {V ^ {*} \ otimes \ cdots \ otimes V ^ { *}} _ {s} = V ^ {\ otimes r} \ otimes \ left (V ^ {*} \ right) ^ {\ otimes s}.}{\displaystyle T_{s}^{r}(V)=\underbrace {V\otimes \cdots \otimes V} _{r}\otimes \underbrace {V^{*}\otimes \cdots \otimes V^{*}} _{s}=V^{\otimes r}\otimes \left(V^{*}\right)^{\otimes s}.}

Здесь V - двойное векторное пространство (который состоит из всех линейных отображений f от V до основного поля K).

Существует карта произведения, называемая (тензорным) произведением тензоров

T sr (V) ⊗ KT s ′ r ′ (V) → T s + s ′ r + r ′ (V). {\ displaystyle T_ {s} ^ {r} (V) \ otimes _ {K} T_ {s '} ^ {r'} (V) \ to T_ {s + s '} ^ {r + r'} ( V).}T_{s}^{r}(V)\otimes _{K}T_{s'}^{r'}(V)\to T_{s+s'}^{r+r'}(V).

Он определяется путем группирования всех встречающихся "факторов" V вместе: запись v i для элемента V и f i для элемента двойного пространства,

(v 1 ⊗ f 1) ⊗ (v 1 ′) = v 1 ⊗ v 1 ′ ⊗ f 1. {\ displaystyle (v_ {1} \ otimes f_ {1}) \ otimes (v '_ {1}) = v_ {1} \ otimes v' _ {1} \ otimes f_ {1}.}(v_{1}\otimes f_{1})\otimes (v'_{1})=v_{1}\otimes v'_{1}\otimes f_{1}.

Выбор базис V и соответствующий дуальный базис V естественным образом индуцируют базис для T. s(V) (этот базис описан в статье о продуктах Кронекера ). В терминах этих оснований можно вычислить компоненты (тензорного) произведения двух (или более) тензоров. Например, если F и G - два ковариантных тензора порядков m и n соответственно (т.е. F ∈ T. mи G ∈ T. n), то компоненты их тензорного произведения задаются по

(F ⊗ G) i 1 i 2 ⋯ im + n = F i 1 i 2 ⋯ im G im + 1 im + 2 im + 3 ⋯ im + n. {\ displaystyle (F \ otimes G) _ {i_ {1} i_ {2} \ cdots i_ {m + n}} = F_ {i_ {1} i_ {2} \ cdots i_ {m}} G_ {i_ { m + 1} i_ {m + 2} i_ {m + 3} \ cdots i_ {m + n}}.}{\displaystyle (F\otimes G)_{i_{1}i_{2}\cdots i_{m+n}}=F_{i_{1}i_{2}\cdots i_{m}}G_{i_{m+1}i_{m+2}i_{m+3}\cdots i_{m+n}}.}

Таким образом, компоненты тензорного произведения двух тензоров являются обычным произведением компонентов каждого тензор. Другой пример: пусть U будет тензором типа (1, 1) с компонентами U β, и пусть V будет тензором типа (1, 0) с компонентами V. Тогда

(U ⊗ V) α β γ = U α β V γ {\ displaystyle (U \ otimes V) ^ {\ alpha} {} _ {\ beta} {} ^ {\ gamma} = U ^ { \ alpha} {} _ {\ beta} V ^ {\ gamma}}{\displaystyle (U\otimes V)^{\alpha }{}_{\beta }{}^{\gamma }=U^{\alpha }{}_{\beta }V^{\gamma }}

и

(V ⊗ U) μ ν σ = V μ U ν σ. {\ displaystyle (V \ otimes U) ^ {\ mu \ nu} {} _ {\ sigma} = V ^ {\ mu} U ^ {\ nu} {} _ {\ sigma}.}{\displaystyle (V\otimes U)^{\mu \nu }{}_{\sigma }=V^{\mu }U^{\nu }{}_{\sigma }.}

Тензоры оснащены с их операцией произведения образуют алгебру, называемую тензорной алгеброй.

оценочная карта и тензорное сжатие

Для тензоров типа (1, 1) существует каноническая оценочная карта

V ⊗ V ∗ → K {\ displaystyle V \ otimes V ^ {*} \ to K}V\otimes V^{*}\to K

, определяемая его действием на чистые тензоры:

v ⊗ f ↦ f (v). {\ displaystyle v \ otimes f \ mapsto f (v).}v\otimes f\mapsto f(v).

В более общем смысле, для тензоров типа (r, s), с r, s>0, существует отображение, называемое сжатием тензора,

Т ср (В) → Т с - 1 г - 1 (В). {\ displaystyle T_ {s} ^ {r} (V) \ to T_ {s-1} ^ {r-1} (V).}{\displaystyle T_{s}^{r}(V)\to T_{s-1}^{r-1}(V).}

(Копии V и V, на которых эта карта должна быть должно быть указано примененное.)

С другой стороны, если V конечномерно, существует каноническое отображение в другом направлении (так называемое отображение совпадений )

{K → V ⊗ V ∗ λ ↦ ∑ я λ vi ⊗ vi ∗ {\ displaystyle {\ begin {cases} K \ to V \ otimes V ^ {*} \\\ lambda \ mapsto \ sum _ {i} \ lambda v_ {i} \ otimes v_ {i} ^ {*} \ end {cases}}}{\displaystyle {\begin{cases}K\to V\otimes V^{*}\\\lambda \mapsto \sum _{i}\lambda v_{i}\otimes v_{i}^{*}\end{cases}}}

, где v 1,..., v n - любое основание V, а v i - это его дуальный базис. Эта карта не зависит от выбора базиса.

Взаимодействие оценки и сооценки может использоваться для характеристики конечномерных векторных пространств без относится к базам.

Присоединенное представление

Тензорное произведение T sr (V) {\ displaystyle T_ {s} ^ {r} (V)}{\displaystyle T_{s}^{r}(V)}естественно рассматривать как модуль для алгебры Ли End (V) с помощью диагонального действия: для простоты предположим, что r = s = 1, тогда для каждый u ∈ End (V),

u (a ⊗ b) = u (a) ⊗ b - a ⊗ u ∗ (b), {\ displaystyle u (a \ otimes b) = u (a) \ otimes ba \ otimes u ^ {*} (b),}{\displaystyle u(a\otimes b)=u(a)\otimes b-a\otimes u^{*}(b),}

где u в End (V) - это транспонирование элемента u, то есть в терминах очевидного спаривания на V ⊗ V,

⟨U (a), б⟩ знак равно ⟨a, u ∗ (b)⟩ {\ displaystyle \ langle u (a), b \ rangle = \ langle a, u ^ {*} (b) \ rangle}\langle u(a),b\rangle =\langle a,u^{*}(b)\rangle .

Есть канонический изоморфизм T 1 1 (V) → E nd (V) {\ displaystyle T_ {1} ^ {1} (V) \ to \ mathrm {End} (V)}{\displaystyle T_{1}^{1}(V)\to \mathrm {End} (V)}, задаваемое

(a ⊗ b) (x) = ⟨X, b⟩ a. {\ displaystyle (a \ otimes b) (x) = \ langle x, b \ rangle a.}(a\otimes b)(x)=\langle x,b\rangle a.

Согласно этому изоморфизму каждое u в End (V) может сначала рассматриваться как эндоморфизм T 1 1 (V) {\ displaystyle T_ {1} ^ {1} (V)}{\displaystyle T_{1}^{1}(V)}, а затем рассматривается как эндоморфизм конца (V). Фактически это присоединенное представление ad (u) Конца (V).

Связь тензорного произведения с Hom

Для двух конечномерных векторных пространств U, V над одним и тем же полем K обозначим двойное пространство к U как U *, и K-векторное пространство всех линейных отображений из U в V как Hom (U, V). Существует изоморфизм,

U ∗ ⊗ V ≅ H om (U, V), {\ displaystyle U ^ {*} \ otimes V \ cong \ mathrm {Hom} (U, V),}{\displaystyle U^{*}\otimes V\cong \mathrm {Hom} (U,V),}

определено действием чистого тензора f ⊗ v ∈ U ∗ ⊗ V {\ displaystyle f \ otimes v \ in U ^ {*} \ otimes V}{\displaystyle f\otimes v\in U^{*}\otimes V}на элемент U {\ Displaystyle U}U,

(е ⊗ v) (u) = f (u) v. {\ displaystyle (f \ otimes v) (u) = f (u) v.}{\displaystyle (f\otimes v)(u)=f(u)v.}

Его "инверсия" может быть определена с использованием базиса {ui} {\ displaystyle \ {u_ {i} \} }{\displaystyle \{u_{i}\}}и его двойственный базис {ui ∗} {\ displaystyle \ {u_ {i} ^ {*} \}}{\displaystyle \{u_{i}^{*}\}}как в разделе «Оценочная карта и тензорное сжатие "выше:

{H om (U, V) → U ∗ ⊗ VF ↦ ∑ iui ∗ ⊗ F (ui). {\ displaystyle {\ begin {cases} \ mathrm {Hom} (U, V) \ to U ^ {*} \ otimes V \\ F \ mapsto \ sum _ {i} u_ {i} ^ {*} \ otimes F (u_ {i}). \ End {cases}}}{\displaystyle {\begin{cases}\mathrm {Hom} (U,V)\to U^{*}\otimes V\\F\mapsto \sum _{i}u_{i}^{*}\otimes F(u_{i}).\end{cases}}}

Из этого результата следует, что

dim ⁡ (U ⊗ V) = dim ⁡ (U) dim ⁡ (V), {\ displaystyle \ dim (U \ otimes V) = \ dim (U) \ dim (V),}{\displaystyle \dim(U\otimes V)=\dim(U)\dim(V),}

что автоматически дает важный факт, что {ui ⊗ vj} {\ displaystyle \ {u_ {i} \ otimes v_ {j} \}}{\displaystyle \{u_{i}\otimes v_{j}\}}образует основу для U ⊗ V {\ displaystyle U \ otimes V}{\displaystyle U\otimes V}, где {ui}, {vj} {\ displaystyle \ {u_ {i} \}, \ {v_ {j} \}}{\displaystyle \{u_{i}\},\{v_{j}\}}- базисы U и V.

Кроме того, для трех векторных пространств U, V, W тензорное произведение связано в векторное пространство всех линейных отображений следующим образом:

H om (U ⊗ V, W) ≅ H om (U, H om (V, W)). {\ displaystyle \ mathrm {Hom} (U \ otimes V, W) \ cong \ mathrm {Hom} (U, \ mathrm {Hom} (V, W)).}\mathrm {Hom} (U\otimes V,W)\cong \mathrm {Hom} (U,\mathrm {Hom} (V,W)).

Это пример сопряженные функторы : тензорное произведение «сопряжено слева» к Hom.

Тензорные произведения модулей по кольцу

Тензорное произведение двух модулей A и B по коммутативному кольцу R определяется точно так же, как тензорное произведение векторных пространств над полем:

A ⊗ RB: = F (A × B) / G {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B: = F ( A \ times B) / G}A\otimes _{R}B:=F(A\times B)/G

, где теперь F (A × B) - это свободный R-модуль, сгенерированный декартовым произведением, а G - R-модуль, сгенерированный тем же отношения, как указано выше.

В более общем смысле, тензорное произведение может быть определено, даже если кольцо некоммутативно. В этом случае A должен быть правым R-модулем, а B - левым R-модулем, и вместо двух последних отношений, приведенных выше, отношение

(ar, b) - (a, rb) {\ displaystyle (ar, b) - (a, rb)}(ar,b)-(a,rb)

накладывается. Если R некоммутативен, это уже не R-модуль, а просто абелева группа.

Универсальное свойство также сохраняется, с небольшими изменениями: отображение φ: A × B → A ⊗ R B, определенный как (a, b) ↦ a ⊗ b, является средней линейной картой (именуемой «канонической средней линейной картой».); то есть удовлетворяет:

ϕ (a + a ′, b) = ϕ (a, b) + ϕ (a ′, b) ϕ (a, b + b ′) = ϕ (a, b) + ϕ (a, b ') ϕ (ar, b) = ϕ (a, rb) {\ displaystyle {\ begin {align} \ phi (a + a', b) = \ phi (a, b) + \ phi (a ', b) \\\ phi (a, b + b') = \ phi (a, b) + \ phi (a, b ') \\\ phi (ar, b) = \ phi (a, rb) \ end {align}}}{\displaystyle {\begin{aligned}\phi (a+a',b)=\phi (a,b)+\phi (a',b)\\\phi (a,b+b')=\phi (a,b)+\phi (a,b')\\\phi (ar,b)=\phi (a,rb)\end{aligned}}}

Первые два свойства делают φ билинейным отображением абелевой группы A × B. Для любого среднего линейного отображения ψ группы A × B, a уникальный групповой гомоморфизм f группы A ⊗ R B удовлетворяет ψ = f ∘ φ, и это свойство определяет ϕ {\ displaystyle \ phi}\phi внутри группового изоморфизма. Подробнее см. основную статью.

Тензорное произведение модулей над некоммутативным кольцом

Пусть A - правый R-модуль, а B - левый R-модуль. Тогда тензорное произведение A и B представляет собой абелеву группу, определенную формулой

A ⊗ RB: = F (A × B) / G {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B: = F (A \ times B) / G}A\otimes _{R}B:=F(A\times B)/G

где F (A × B) {\ displaystyle F (A \ times B)}F(A\times B)- свободная абелева группа над A × B {\ displaystyle A \ times B}A \times B , а G является подгруппой F (A × B) {\ displaystyle F (A \ times B)}F(A\times B), порожденной отношениями

∀ a, a 1, a 2 ∈ A, ∀ b, b 1, b 2 ∈ B, ∀ r ∈ R: (a 1, b) + (a 2, b) - (a 1 + a 2, b), (a, b 1) + (a, b 2) - (a, b 1 + b 2), (ar, b) - (a, rb). {\ displaystyle {\ begin {align} \ forall a, a_ {1}, a_ {2} \ in A, \ forall b, b_ {1}, b_ {2} \ in B, \ forall r \ in R : \\ (a_ {1}, b) + (a_ {2}, b) - (a_ {1} + a_ {2}, b), \\ (a, b_ {1}) + (a, b_ {2}) - (a, b_ {1} + b_ {2}), \\ (ar, b) - (a, rb). \\\ end {align}}}{\displaystyle {\begin{aligned}\forall a,a_{1},a_{2}\in A,\forall b,b_{1},b_{2}\in B,\forall r\in R:\\(a_{1},b)+(a_{2},b)-(a_{1}+a_{2},b),\\(a,b_{1})+(a,b_{2})-(a,b_{1}+b_{2}),\\(ar,b)-(a,rb).\\\end{aligned}}}

Универсальный свойство можно сформулировать следующим образом. Пусть G - абелева группа с отображением q: A × B → G {\ displaystyle q: A \ times B \ to G}{\displaystyle q:A\times B\to G}, которое является билинейным в том смысле, что

q (a 1 + a 2, b) = q (a 1, b) + q (a 2, b), q (a, b 1 + b 2) = q (a, b 1) + q (a, b 2), q (ar, b) = q (a, rb). {\ displaystyle {\ begin {align} q (a_ {1} + a_ {2}, b) = q (a_ {1}, b) + q (a_ {2}, b), \\ q (a, b_ {1} + b_ {2}) = q (a, b_ {1}) + q (a, b_ {2}), \\ q (ar, b) = q (a, rb). \ end {align}}}{\displaystyle {\begin{aligned}q(a_{1}+a_{2},b)=q(a_{1},b)+q(a_{2},b),\\q(a,b_{1}+b_{2})=q(a,b_{1})+q(a,b_{2}),\\q(ar,b)=q(a,rb).\end{aligned}}}

Тогда существует уникальная карта q ¯: A ⊗ B → G {\ displaystyle {\ overline {q}}: A \ otimes B \ to G}{\displaystyle {\overline {q}}:A\otimes B\to G}такой, что q ¯ (a ⊗ b) = q (a, b) {\ displaystyle {\ overline {q}} (a \ otimes b) = q (a, b)}{\displaystyle {\overline {q}}(a\otimes b)=q(a,b)}для всех a ∈ A {\ displaystyle a \ in A}a\in Aи b ∈ B {\ displaystyle b \ in B}b\in B.

Кроме того, мы можем дать A ⊗ RB {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B}A\otimes _{R}Bструктура модуля при некоторых дополнительных условиях:

  1. Если A является (S, R) -бимодулем, то A ⊗ RB {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B}A\otimes _{R}B- левый S-модуль, где s (a ⊗ b): = (sa) ⊗ b {\ displaystyle s (a \ otimes b): = (sa) \ otimes b}{\displaystyle s(a\otimes b):=(sa)\otimes b}.
  2. Если B является (R, S) -бимодулем, то A ⊗ RB {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B}A\otimes _{R}Bявляется правым S-модулем, где (a ⊗ b) s: = a ⊗ (bs) {\ displaystyle (a \ otimes b) s: = a \ otimes (bs)}{\displaystyle (a\otimes b)s:=a\otimes (bs)}.
  3. Если R - коммутатив полоскание g, тогда A и B являются (R, R) -бимодулями, где ra: = ar {\ displaystyle ra: = ar}{\displaystyle ra:=ar}и br: = rb {\ displaystyle br: = rb}{\displaystyle br:=rb}. По 1) A ⊗ RB {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B}A\otimes _{R}Bявляется левым R-модулем, а по 2) A ⊗ RB {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B}A\otimes _{R}B- правый R-модуль, поэтому мы можем заключить, что A ⊗ RB {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B}A\otimes _{R}B- это a (R, R) -бимодуль.

Вычисление тензорного произведения

Для векторных пространств тензорное произведение V ⊗ W вычисляется быстро, поскольку базы V из W сразу определяют базис V ⊗ W, как было сказано выше. Для модулей над общим (коммутативным) кольцом не каждый модуль свободен. Например, Z/nZне является свободной абелевой группой (Z -модуль). Тензорное произведение с Z/nZдается как

M ⊗ Z Z / n Z = M / n M. {\ displaystyle M \ otimes _ {\ mathbf {Z}} \ mathbf {Z} / n \ mathbf {Z} = M / nM.}{\displaystyle M\otimes _{\mathbf {Z} }\mathbf {Z} /n\mathbf {Z} =M/nM.}

В более общем плане, учитывая представление некоторого R -модуль M, то есть количество генераторов m i ∈ M, i ∈ I вместе с отношениями

∑ j ∈ J ajimi = 0, aij ∈ R, {\ displaystyle \ sum _ { j \ in J} a_ {ji} m_ {i} = 0, \ qquad a_ {ij} \ in R,}{\displaystyle \sum _{j\in J}a_{ji}m_{i}=0,\qquad a_{ij}\in R,}

тензорное произведение может быть вычислено как следующее коядро :

M ⊗ RN = кокер ⁡ (NJ → NI) {\ displaystyle M \ otimes _ {R} N = \ operatorname {coker} \ left (N ^ {J} \ to N ^ {I} \ right)}{\displaystyle M\otimes _{R}N=\operatorname {coker} \left(N^{J}\to N^{I}\right)}

Здесь N = ⨁ j ∈ J N, и отображение N → N определяется отправкой некоторого n ∈ N в j-й копии N в ji n (в N). В разговорной речи это можно перефразировать, сказав, что представление M приводит к представлению M ⊗ R N. На это ссылаются, говоря, что тензорное произведение является точным правым функтором . Как правило, он не является точным слева, то есть, учитывая инъективное отображение R-модулей M 1 → M 2, тензорное произведение

M 1 ⊗ RN → M 2 ⊗ RN {\ displaystyle M_ {1} \ otimes _ {R} N \ to M_ {2} \ otimes _ {R} N}M_{1}\otimes _{R}N\to M_{2}\otimes _{R}N

обычно не является инъективным. Например, тензорное отображение (инъективного) отображения, заданного умножением на n, n: Z→ Zна Z/nZ, дает нулевое отображение 0: Z/nZ→ Z/nZ, которое не является инъективным. Функторы более высокого уровня Tor измеряют дефект тензорного произведения, не оставаясь точным. Все высшие функторы Tor собраны в производное тензорное произведение.

Тензорное произведение алгебр

Пусть R коммутативное кольцо. Тензорное произведение R-модулей применяется, в частности, если A и B являются R-алгебрами. В этом случае тензорное произведение A ⊗ R B само является R-алгеброй, если положить

(a 1 ⊗ b 1) ⋅ (a 2 ⊗ b 2) = (a 1 ⋅ a 2) ⊗ (b 1 ⋅ b 2). {\ displaystyle (a_ {1} \ otimes b_ {1}) \ cdot (a_ {2} \ otimes b_ {2}) = (a_ {1} \ cdot a_ {2}) \ otimes (b_ {1} \ cdot b_ {2}).}(a_{1}\otimes b_{1})\cdot (a_{2}\otimes b_{2})=(a_{1}\cdot a_{2})\otimes (b_{1}\cdot b_{2}).

Например,

R [x] ⊗ RR [y] ≅ R [x, y]. {\ displaystyle R [x] \ otimes _ {R} R [y] \ cong R [x, y].}R[x]\otimes _{R}R[y]\cong R[x,y].

Конкретный пример - это когда A и B - поля, содержащие общее подполе R. тензорное произведение полей тесно связано с теорией Галуа : если, скажем, A = R [x] / f (x), где f - некоторый неприводимый многочлен с коэффициентами в R тензорное произведение может быть вычислено как

A ⊗ RB ≅ B [x] / f (x) {\ displaystyle A \ otimes _ {R} B \ cong B [x] / f (x)}A\otimes _{R}B\cong B[x]/f(x)

где теперь f интерпретируется как тот же многочлен, но с его коэффициентами, рассматриваемыми как элементы B. В более широком поле B многочлен может стать приводимым, что приводит к теории Галуа. Например, если A = B является расширением Галуа R, то

A ⊗ RA ≅ A [x] / f (x) {\ displaystyle A \ otimes _ {R} A \ cong A [x] / f (x)}A\otimes _{R}A\cong A[x]/f(x)

изоморфен (как A-алгебра) A.

Собственным конфигурациям тензоров

Квадратных матриц A {\ displaystyle A}Aс записями в поле K {\ displaystyle K}Kпредставляют линейные карты векторные пространства, скажем K n → K n {\ displaystyle K ^ {n} \ to K ^ {n}}{\displaystyle K^{n}\to K^{n}}, и, таким образом, линейные отображения ψ: P n - 1 → P n - 1 {\ displaystyle \ psi: \ mathbb {P} ^ {n-1} \ to \ mathbb {P} ^ {n-1}}{\displaystyle \psi :\mathbb {P} ^{n-1}\to \mathbb {P} ^{n-1}}из проективные пространства над K {\ displaystyle K}K. Если A {\ displaystyle A}Aравно неособое, тогда ψ {\ displaystyle \ psi}\psi равно четко определено везде, а собственные векторы в A {\ displaystyle A}Aсоответствуют фиксированным точкам ψ {\ displaystyle \ psi}\psi . Собственная конфигурация A {\ displaystyle A}Aсостоит из n {\ displaystyle n}nточек в P n - 1 {\ displaystyle \ mathbb { P} ^ {n-1}}{\displaystyle \mathbb {P} ^{n-1}}, при условии, что A {\ displaystyle A}Aявляется общим, а K {\ displaystyle K}Kявляется алгебраически замкнутым. Неподвижные точки нелинейных отображений являются собственными векторами тензоров. Пусть A = (ai 1 i 2 ⋯ id) {\ displaystyle A = (a_ {i_ {1} i_ {2} \ cdots i_ {d}})}{\displaystyle A=(a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{d}})}будет d {\ displaystyle d}d-мерный тензор формата n × n × ⋯ × n {\ displaystyle n \ times n \ times \ cdots \ times n}{\displaystyle n\times n\times \cdots \times n}с записями (ai 1 i 2 ⋯ id) {\ displaystyle (a_ {i_ {1} i_ {2} \ cdots i_ {d}})}{\displaystyle (a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{d}})}лежит в алгебраически замкнутом поле K {\ displaystyle K}Kиз характеристики ноль. Такой тензор A ∈ (K n) ⊗ d {\ displaystyle A \ in (K ^ {n}) ^ {\ otimes d}}{\displaystyle A\in (K^{n})^{\otimes d}}определяет полиномиальные отображения К n → К n {\ displaystyle K ^ {n} \ к K ^ {n}}{\displaystyle K^{n}\to K^{n}}и P n - 1 → P n - 1 {\ displaystyle \ mathbb {P} ^ {n-1} \ to \ mathbb {P} ^ {n-1}}{\displaystyle \mathbb {P} ^{n-1}\to \mathbb {P} ^{n-1}}с координатами

ψ i (x 1,..., xn) = ∑ j 2 = 1 n ∑ j 3 = 1 n ⋯ ∑ jd = 1 naij 2 j 3 ⋯ jdxj 2 xj 3 ⋯ xjd для i = 1,..., п {\ displaystyle \ psi _ {i} (x_ {1},..., x_ {n}) = \ sum _ {j_ {2} = 1} ^ {n} \ sum _ {j_ {3} = 1} ^ {n} \ cdots \ sum _ {j_ {d} = 1} ^ {n} a_ {ij_ {2} j_ {3} \ cdots j_ {d}} x_ {j_ {2}} x_ { j_ {3}} \ cdots x_ {j_ {d}} \; \; {\ t_dv {for}} i = 1,..., n}{\displaystyle \psi _{i}(x_{1},...,x_{n})=\sum _{j_{2}=1}^{n}\sum _{j_{3}=1}^{n}\cdots \sum _{j_{d}=1}^{n}a_{ij_{2}j_{3}\cdots j_{d}}x_{j_{2}}x_{j_{3}}\cdots x_{j_{d}}\;\;{\t_dv{for }}i=1,...,n}

Таким образом, каждый из n {\ displaystyle n }nкоординаты ψ {\ displaystyle \ psi}\psi - это однородный многочлен ψ i {\ displaystyle \ psi _ {i}}{\displaystyle \psi _{i}}степени d - 1 {\ displaystyle d-1}d-1in x = (x 1,…, xn) {\ displaystyle \ mathbf {x} = (x_ {1}, \ ldots, x_ {n})}{\displaystyle \mathbf {x} =(x_{1},\ldots,x_{n})}. Собственные векторы A {\ displaystyle A}Aявляются решениями ограничения

rank (x 1 x 2 ⋯ xn ψ 1 (x) ψ 2 (x) ⋯ ψ n (x)) ≤ 1 {\ displaystyle {\ t_dv {rank}} {\ begin {pmatrix} x_ {1} x_ {2} \ cdots x_ {n} \\\ psi _ {1} (\ mathbf {x}) \ psi _ {2} (\ mathbf {x}) \ cdots \ psi _ {n} (\ mathbf {x}) \ end {pmatrix}} \ leq 1}{\displaystyle {\t_dv{rank}}{\begin{pmatrix}x_{1}x_{2}\cdots x_{n}\\\psi _{1}(\mathbf {x})\psi _{2}(\mathbf {x})\cdots \psi _{n}(\mathbf {x})\end{pmatrix}}\leq 1}

, а собственная конфигурация задается разновидность из 2 × 2 {\ displaystyle 2 \ times 2}2\times 2миноров этой матрицы.

Другие примеры тензорных произведений

Тензорное произведение гильбертовых пространств

Гильбертовы пространства обобщают конечномерные векторные пространства до счетно-бесконечных измерений. Тензорное произведение все еще определено; это тензорное произведение гильбертовых пространств.

Топологическое тензорное произведение

Когда базис для векторного пространства больше не является счетным, тогда подходящей аксиоматической формализацией для векторного пространства будет топологическое векторное пространство. Тензорное произведение все еще определено, это топологическое тензорное произведение.

Тензорное произведение градуированных векторных пространств

Некоторые векторные пространства могут быть разложены на прямые суммы подпространств. В таких случаях тензорное произведение двух пространств можно разложить на суммы произведений подпространств (аналогично тому, как умножение распределяется по сложению).

Тензорное произведение представлений

Векторные пространства, наделенные дополнительной мультипликативной структурой, называются алгебрами. Тензорное произведение таких алгебр описывается правилом Литтлвуда – Ричардсона.

Тензорное произведение квадратичных форм

Тензорное произведение полилинейных форм

Данных двух полилинейных форм f (x 1,…, xk) {\ displaystyle f (x_ {1}, \ dots, x_ {k})}{\displaystyle f(x_{1},\dots,x_{k})}и g (x 1,…, xm) {\ displaystyle g (x_ {1}, \ dots, x_ {m})}{\displaystyle g(x_{1},\dots,x_{m})}в векторном пространстве V {\ displaystyle V}Vнад полем K {\ displaystyle K}Kих тензорное произведение представляет собой полилинейную форму

(f ⊗ g) (x 1,…, xk + m) = f (x 1,…, xk) g (xk + 1,…, xk + m). {\ Displaystyle (е \ otimes g) (x_ {1}, \ точки, x_ {k + m}) = f (x_ {1}, \ dots, x_ {k}) g (x_ {k + 1}, \ dots, x_ {k + m}).}{\displaystyle (f\otimes g)(x_{1},\dots,x_{k+m})=f(x_{1},\dots,x_{k})g(x_{k+1},\dots,x_{k+m}).}

Это частный случай произведения тензоров, если они рассматриваются как полилинейные карты (см. также тензоры как полилинейные карты ). Таким образом, компоненты тензорного произведения полилинейных форм могут быть вычислены с помощью произведения Кронекера.

Тензорного произведения пучков модулей

Тензорного произведения линейных пучков

Тензорного произведения полей

Тензорное произведение графов

Следует отметить, что, хотя и называется «тензорным произведением», это не тензорное произведение графов в указанном выше смысле; фактически это теоретико-категориальный продукт в категории графов и гомоморфизмов графов. Однако на самом деле это тензорное произведение Кронекера матриц смежности графов. Сравните также раздел Тензорное произведение линейных карт выше.

Моноидальные категории

Наиболее общей настройкой для тензорного произведения является моноидальная категория. Он отражает алгебраическую сущность тензора без каких-либо конкретных ссылок на то, что подвергается тензору. Таким образом, все тензорные произведения могут быть выражены как применение моноидальной категории к некоторой конкретной настройке, действующей на некоторые конкретные объекты.

Факторные алгебры

Ряд важных подпространств тензорной алгебры могут быть сконструированы как частные : они включают внешнюю алгебру, симметрической алгебры, алгебры Клиффорда, алгебры Вейля и универсальной обертывающей алгебры в целом.

Внешняя алгебра построена из внешнего продукта. Учитывая векторное пространство V, внешний продукт V ∧ V {\ displaystyle V \ wedge V}V\wedge Vопределяется как

V ∧ V: = V ⊗ V / {v ⊗ v ∣ v ∈ V}. {\ displaystyle V \ wedge V: = V \ otimes V / \ {v \ otimes v \ mid v \ in V \}.}{\displaystyle V\wedge V:=V\otimes V/\{v\otimes v\mid v\in V\}.}

Обратите внимание, что когда базовое поле V не имеет характеристики 2, то это определение эквивалентно

V ∧ V: = V ⊗ V / {v 1 ⊗ v 2 + v 2 ⊗ v 1 ∣ v 1, v 2 ∈ V}. {\ Displaystyle V \ клин V: = V \ otimes V / \ {v_ {1} \ otimes v_ {2} + v_ {2} \ otimes v_ {1} \ mid v_ {1}, v_ {2} \ in V \}.}{\displaystyle V\wedge V:=V\otimes V/\{v_{1}\otimes v_{2}+v_{2}\otimes v_{1}\mid v_{1},v_{2}\in V\}.}

Изображение v 1 ⊗ v 2 {\ displaystyle v_ {1} \ otimes v_ {2}}v_{1}\otimes v_{2}во внешнем продукте обычно обозначается v 1 ∧ v 2 {\ displaystyle v_ {1} \ wedge v_ {2}}v_{1}\wedge v_{2}и удовлетворяет по построению v 1 ∧ v 2 = - v 2 ∧ v 1 {\ displaystyle v_ { 1} \ wedge v_ {2} = - v_ {2} \ wedge v_ {1}}v_{1}\wedge v_{2}=-v_{2}\wedge v_{1}. Аналогичные конструкции возможны для V ⊗ ⋯ ⊗ V {\ displaystyle V \ otimes \ dots \ otimes V}V\otimes \dots \otimes V(n факторов), что приводит к Λ n V {\ displaystyle \ Lambda ^ {n} V}\Lambda ^{n}V, n-я внешняя степень V. Последнее понятие лежит в основе дифференциальных n-форм.

Симметрическая алгебра строится в аналогичным образом из симметричного произведения

V ⊙ V: = V ⊗ V / {v 1 ⊗ v 2 - v 2 ⊗ v 1 ∣ v 1, v 2 ∈ V}. {\ displaystyle V \ odot V: = V \ otimes V / \ {v_ {1} \ otimes v_ {2} -v_ {2} \ otimes v_ {1} \ mid v_ {1}, v_ {2} \ in V \}.}{\displaystyle V\odot V:=V\otimes V/\{v_{1}\otimes v_{2}-v_{2}\otimes v_{1}\mid v_{1},v_{2}\in V\}.}

В более общем смысле

Sym n ⁡ V: = V ⊗ ⋯ ⊗ V ⏟ n / (⋯ ⊗ vi ⊗ vi + 1 ⊗ ⋯ - ⋯ ⊗ vi + 1 ⊗ vi ⊗…) {\ displaystyle \ operatorname {Sym} ^ {n} V: = \ underbrace {V \ otimes \ dots \ otimes V} _ {n} / (\ dots \ otimes v_ {i} \ otimes v_ {i + 1} \ otimes \ dots - \ dots \ otimes v_ {i + 1} \ otimes v_ {i} \ otimes \ dots)}{\displaystyle \operatorname {Sym} ^{n}V:=\underbrace {V\otimes \dots \otimes V} _{n}/(\dots \otimes v_{i}\otimes v_{i+1}\otimes \dots -\dots \otimes v_{i+1}\otimes v_{i}\otimes \dots)}

То есть в симметричной алгебре два соседних вектора (и, следовательно, все они) можно поменять местами. Результирующие объекты называются симметричными тензорами.

Тензорным продуктом в программировании

Языки программирования массивов

Языки программирования массивов могут иметь встроенный шаблон. Например, в APL тензорное произведение выражается как ○. ×(например, A ○. × Bили A ○. × B ○. × C). В J тензорным произведением является диадическая форма * /(например, a * / bили a * / b * / c).

Обратите внимание, что обработка J также позволяет представление некоторых тензорных полей, поскольку aи bмогут быть функциями вместо констант. Это произведение двух функций является производной функцией, и если aи bдифференцируемые, то a * / bдифференцируемо.

Однако эти виды нотации не всегда присутствуют в языках массивов. Другие языки массивов могут требовать явной обработки индексов (например, MATLAB ) и / или могут не поддерживать функции высшего порядка, такие как производная Якоби ( например, Фортран / APL).

См. Также
Найдите тензорное произведение в Wiktionary, бесплатном словаре.
Примечания
Ссылки
Последняя правка сделана 2021-06-10 13:37:48
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте