Алгебра phys 2 ноябрь–декабрь — различия между версиями
Материал из SEWiki
Goryachko (обсуждение | вклад) |
Goryachko (обсуждение | вклад) |
||
Строка 2: | Строка 2: | ||
<h2>3 Билинейная и полилинейная алгебра</h2> | <h2>3 Билинейная и полилинейная алгебра</h2> | ||
<table cellpadding="6" cellspacing="0"> | <table cellpadding="6" cellspacing="0"> | ||
− | <tr><td></td><td></td><td></td><td></td | + | <tr><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td><table cellpadding="0" cellspacing="3"><tr><td>In the 20th century, the subject came to be known as <i>tensor analysis</i>, and achieved broader acceptance with the introduction of Einstein's<br>theory of general relativity, around 1915. General relativity is formulated completely in the language of tensors. Einstein had learned about<br>them, with great difficulty, from the geometer Marcel Grossmann. Tullio Levi-Civita then initiated a correspondence with Einstein to correct<br>mistakes Einstein had made in his use of tensor analysis. The correspondence lasted 1915–1917, and was characterized by mutual respect:<br>"I admire the elegance of your method of computation; it must be nice to ride through these fields upon the horse of true mathematics while<br>the like of us have to make our way laboriously on foot" (from Einstein's letter to Levi-Civita).</td></tr><tr align="right"><td>[https://en.wikipedia.org/wiki/Tensor<i>Статья «Tensor» в англоязычной Википедии</i>]</td></tr></table></td></tr></table> |
− | + | ||
<h3>3.4 Тензорные произведения векторных пространств</h3> | <h3>3.4 Тензорные произведения векторных пространств</h3> | ||
<h5>3.4.1 Определения, конструкции и основные теоремы, связанные с тензорами</h5> | <h5>3.4.1 Определения, конструкции и основные теоремы, связанные с тензорами</h5> | ||
− | <ul><li>Тензорное | + | <ul><li>Тензорное произведение пространств: <math>V_1\otimes\ldots\otimes V_k=\mathcal F/\mathcal F_0</math>, где <math>\mathcal F=\mathrm{FinFunc}(V_1\times\ldots\times V_k,K)</math> и <math>\mathcal F_0</math> — подпространство полилинеаризации. |
− | <li>Разложимый тензор: <math>v_1\otimes\ldots\otimes v_k=(v_1,\ldots,v_k)+\mathcal F_0\in\mathcal F/\mathcal F_0</math>. Утверждение: <math>V_1\otimes\ldots\otimes V_k=\langle\{v_1\otimes\ldots\otimes v_k\mid v_1\in V_1,\ldots,v_k\in V_k\}\rangle</math> | + | <li>Разложимый тензор: <math>v_1\otimes\ldots\otimes v_k=(v_1,\ldots,v_k)+\mathcal F_0\in\mathcal F/\mathcal F_0</math>. Утверждение: <math>V_1\otimes\ldots\otimes V_k=\bigl\langle\{v_1\otimes\ldots\otimes v_k\mid v_1\in V_1,\ldots,v_k\in V_k\}\bigr\rangle</math>. |
− | + | <li><u>Теорема об универсальности тензорного произведения.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>k\in\mathbb N_0</math> и <math>V_1,\ldots,V_k,Y</math> — векторные пространства над полем <math>K</math>; тогда<br>отображение <math>\biggl(\!\begin{align}V_1\times\ldots\times V_k&\to V_1\otimes\ldots\otimes V_k\\(v_1,\ldots,v_k)&\mapsto v_1\otimes\ldots\otimes v_k\end{align}\!\biggr)</math> — полилинейный оператор, и для любых <math>\omega\in\mathrm{Multi}(V_1,\ldots,V_k,Y)</math> существует единственный<br>такой линейный оператор <math>a\in\mathrm{Hom}(V_1\otimes\ldots\otimes V_k,Y)</math>, что для любых <math>v_1\in V_1,\ldots,v_k\in V_k</math> выполнено <math>a(v_1\otimes\ldots\otimes v_k)=\omega(v_1,\ldots,v_k)</math><br>(и, значит, отображение <math>\biggl(\!\begin{align}\mathrm{Hom}(V_1\otimes\ldots\otimes V_k,Y)&\to\mathrm{Multi}(V_1,\ldots,V_k,Y)\\a&\mapsto\bigl((v_1,\ldots,v_k)\mapsto a(v_1\otimes\ldots\otimes v_k)\bigr)\!\end{align}\!\biggr)</math> — изоморфизм векторных пространств).</i> | |
− | <li><u>Теорема об универсальности тензорного произведения.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>k\in\mathbb N_0</math> и <math>V_1,\ldots,V_k,Y</math> — векторные пространства над полем <math>K</math>;<br> | + | |
<li><u>Теорема о базисе тензорного произведения.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>k\in\mathbb N_0</math>, <math>V_1,\ldots,V_k</math> — векторные пространства над полем <math>K</math> и <math>B_1,\ldots,B_k</math> —<br>базисы пространств <math>V_1,\ldots,V_k</math> соответственно; тогда все тензоры <math>b_1\otimes\ldots\otimes b_k</math>, где <math>b_1\in B_1,\ldots,b_k\in B_k</math>, попарно различны и вместе<br>образуют базис пространства <math>V_1\otimes\ldots\otimes V_k</math>, а также, если <math>\dim V_1,\ldots,\dim V_k<\infty</math>, то <math>\dim(V_1\otimes\ldots\otimes V_k)=\dim V_1\cdot\ldots\cdot\dim V_k</math>.</i> | <li><u>Теорема о базисе тензорного произведения.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>k\in\mathbb N_0</math>, <math>V_1,\ldots,V_k</math> — векторные пространства над полем <math>K</math> и <math>B_1,\ldots,B_k</math> —<br>базисы пространств <math>V_1,\ldots,V_k</math> соответственно; тогда все тензоры <math>b_1\otimes\ldots\otimes b_k</math>, где <math>b_1\in B_1,\ldots,b_k\in B_k</math>, попарно различны и вместе<br>образуют базис пространства <math>V_1\otimes\ldots\otimes V_k</math>, а также, если <math>\dim V_1,\ldots,\dim V_k<\infty</math>, то <math>\dim(V_1\otimes\ldots\otimes V_k)=\dim V_1\cdot\ldots\cdot\dim V_k</math>.</i> | ||
+ | |||
+ | <li>Ранг тензора <math>T</math>: <math>\mathrm{rk}(T)</math> равен минимальному среди всех таких чисел <math>m\in\mathbb N_0</math>, что <math>T=T_1+\ldots+T_m</math>, где <math>T_1,\ldots,T_m</math> — разложимые тензоры. | ||
<li><u>Первая теорема о канонических изоморфизмах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле и <math>U,V,W</math> — векторные пространства над полем <math>K</math>; тогда<br><math>(U\otimes V)\otimes W\cong U\otimes(V\otimes W)\cong U\otimes V\otimes W</math> и <math>V\otimes K\cong K\otimes V\cong V</math>, а также <math>V\otimes W\cong W\otimes V</math>.</i> | <li><u>Первая теорема о канонических изоморфизмах.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле и <math>U,V,W</math> — векторные пространства над полем <math>K</math>; тогда<br><math>(U\otimes V)\otimes W\cong U\otimes(V\otimes W)\cong U\otimes V\otimes W</math> и <math>V\otimes K\cong K\otimes V\cong V</math>, а также <math>V\otimes W\cong W\otimes V</math>.</i> | ||
<li>Тензорное произв.-е тензоров: <math>T\otimes T'</math>. Тензорное произв.-е гомоморфизмов (<math>a\in\mathrm{Hom}(V,Y),b\in\mathrm{Hom}(W,Z)</math>): <math>(a\otimes b)(v\otimes w)=a(v)\otimes b(w)</math>. | <li>Тензорное произв.-е тензоров: <math>T\otimes T'</math>. Тензорное произв.-е гомоморфизмов (<math>a\in\mathrm{Hom}(V,Y),b\in\mathrm{Hom}(W,Z)</math>): <math>(a\otimes b)(v\otimes w)=a(v)\otimes b(w)</math>. | ||
Строка 58: | Строка 58: | ||
<li><u>Теорема о симметрической алгебре и внешней алгебре.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>\mathrm{char}\,K=0</math>, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math><br>и <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>; обозначим через <math>n</math> число <math>\dim V</math>; тогда<br>(1) множество <math>\{e_{i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_k}\!\mid k\in\mathbb N_0,\,i_1,\ldots,i_k\in\{1,\ldots,n\},\,i_1\le\ldots\le i_k\}</math> — базис алгебры <math>\,\mathsf S(V)</math>, и для любых элементов <math>e_{i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_k}</math> и<br><math>e_{i_1'}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_{k'}'}</math> этого базиса выполнено <math>(e_{i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_k})\cdot(e_{i_1'}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_{k'}'}\!)=e_{\hat i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{\hat i_{k+k'}}</math>, где числа <math>\hat i_1,\ldots,\hat i_{k+k'}</math> суть числа <math>i_1,\ldots,i_k,i_1',\ldots,i_{k'}'</math>,<br>упорядоченные по неубыванию;<br>(2) множество <math>\{e_{i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_k}\!\mid k\in\{0,\ldots,n\},\,i_1,\ldots,i_k\in\{1,\ldots,n\},\,i_1<\ldots<i_k\}</math> — базис алгебры <math>\,\mathsf\Lambda(V)</math>, и для любых элементов<br><math>e_{i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_k}</math> и <math>e_{i_1'}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_{k'}'}</math> этого базиса выполнено <math>(e_{i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_k})\wedge(e_{i_1'}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_{k'}'}\!)=\mathrm{sgn}(i_1,\ldots,i_k,i_1',\ldots,i_{k'}'\!)\,e_{\hat i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{\hat i_{k+k'}}</math>, где<br>числа <math>\hat i_1,\ldots,\hat i_{k+k'}</math> суть числа <math>i_1,\ldots,i_k,i_1',\ldots,i_{k'}'</math>, упорядоченные по возрастанию.</i></ul> | <li><u>Теорема о симметрической алгебре и внешней алгебре.</u> <i>Пусть <math>K</math> — поле, <math>\mathrm{char}\,K=0</math>, <math>V</math> — векторное пространство над полем <math>K</math>, <math>\dim V<\infty</math><br>и <math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>; обозначим через <math>n</math> число <math>\dim V</math>; тогда<br>(1) множество <math>\{e_{i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_k}\!\mid k\in\mathbb N_0,\,i_1,\ldots,i_k\in\{1,\ldots,n\},\,i_1\le\ldots\le i_k\}</math> — базис алгебры <math>\,\mathsf S(V)</math>, и для любых элементов <math>e_{i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_k}</math> и<br><math>e_{i_1'}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_{k'}'}</math> этого базиса выполнено <math>(e_{i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_k})\cdot(e_{i_1'}\!\cdot\ldots\cdot e_{i_{k'}'}\!)=e_{\hat i_1}\!\cdot\ldots\cdot e_{\hat i_{k+k'}}</math>, где числа <math>\hat i_1,\ldots,\hat i_{k+k'}</math> суть числа <math>i_1,\ldots,i_k,i_1',\ldots,i_{k'}'</math>,<br>упорядоченные по неубыванию;<br>(2) множество <math>\{e_{i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_k}\!\mid k\in\{0,\ldots,n\},\,i_1,\ldots,i_k\in\{1,\ldots,n\},\,i_1<\ldots<i_k\}</math> — базис алгебры <math>\,\mathsf\Lambda(V)</math>, и для любых элементов<br><math>e_{i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_k}</math> и <math>e_{i_1'}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_{k'}'}</math> этого базиса выполнено <math>(e_{i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_k})\wedge(e_{i_1'}\!\wedge\ldots\wedge e_{i_{k'}'}\!)=\mathrm{sgn}(i_1,\ldots,i_k,i_1',\ldots,i_{k'}'\!)\,e_{\hat i_1}\!\wedge\ldots\wedge e_{\hat i_{k+k'}}</math>, где<br>числа <math>\hat i_1,\ldots,\hat i_{k+k'}</math> суть числа <math>i_1,\ldots,i_k,i_1',\ldots,i_{k'}'</math>, упорядоченные по возрастанию.</i></ul> | ||
− | <h3>3.6 Геометрия в векторных пространствах над <math>\mathbb R</math> или <math>\mathbb C</math> (часть 2)</h3> | + | <!--<h3>3.6 Геометрия в векторных пространствах над <math>\mathbb R</math> или <math>\mathbb C</math> (часть 2)</h3> |
<h5>3.6.1 Объем, векторное произведение, оператор Ходжа</h5> | <h5>3.6.1 Объем, векторное произведение, оператор Ходжа</h5> | ||
<ul><li>Форма объема в ориентированном псевдоевклидовом простр.-ве (<math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>): <math>\mathrm{vol}=\mathrm{sign}(e)\sqrt{|\det\sigma_{e,e}|}\,\mathrm{vol}^e</math>. Корректность определения формы <math>\mathrm{vol}</math>. | <ul><li>Форма объема в ориентированном псевдоевклидовом простр.-ве (<math>e\in\mathrm{OB}(V)</math>): <math>\mathrm{vol}=\mathrm{sign}(e)\sqrt{|\det\sigma_{e,e}|}\,\mathrm{vol}^e</math>. Корректность определения формы <math>\mathrm{vol}</math>. | ||
Строка 100: | Строка 100: | ||
<li>Дифференциал внешней <math>k</math>-формы: <math>\mathrm d\Bigl(\!\!\!\!\sum_{1\le j_1<\ldots<j_k\le n}\!\!\!\!\omega_{j_1,\ldots,j_k}\mathrm dx^{j_1}\!\wedge\ldots\wedge\mathrm dx^{j_k}\!\Bigr)=\!\!\!\!\sum_{1\le j_1<\ldots<j_k\le n}\!\!\!\!\mathrm d\omega_{j_1,\ldots,j_k}\!\wedge\mathrm dx^{j_1}\!\wedge\ldots\wedge\mathrm dx^{j_k}</math> — внешняя <math>(k+1)</math>-форма. | <li>Дифференциал внешней <math>k</math>-формы: <math>\mathrm d\Bigl(\!\!\!\!\sum_{1\le j_1<\ldots<j_k\le n}\!\!\!\!\omega_{j_1,\ldots,j_k}\mathrm dx^{j_1}\!\wedge\ldots\wedge\mathrm dx^{j_k}\!\Bigr)=\!\!\!\!\sum_{1\le j_1<\ldots<j_k\le n}\!\!\!\!\mathrm d\omega_{j_1,\ldots,j_k}\!\wedge\mathrm dx^{j_1}\!\wedge\ldots\wedge\mathrm dx^{j_k}</math> — внешняя <math>(k+1)</math>-форма. | ||
<li>Псевдориманово многообразие сигнатуры <math>(p,q)</math> — многообразие с метрической формой сигнатуры <math>(p,q)</math> (форма имеет сигн.-у <math>(p,q)</math> в каждой точке). | <li>Псевдориманово многообразие сигнатуры <math>(p,q)</math> — многообразие с метрической формой сигнатуры <math>(p,q)</math> (форма имеет сигн.-у <math>(p,q)</math> в каждой точке). | ||
− | <li>Градиент функции: <math>\nabla f={\uparrow^\sigma}(\mathrm df)</math>; дивергенция и ротор вект. поля: <math>\mathrm{div}\,v=*\,\mathrm d\,{*}\,({\downarrow_\sigma}v)</math> и <math>\mathrm{rot}\,v={\uparrow^\sigma}(*\,\mathrm d({\downarrow_\sigma}v))</math>; лапласиан функции: <math>\Delta f=\mathrm{div}(\nabla f)</math><br>(опускание индекса, подъем индекса и оператор Ходжа на <math>M</math>: <math>({\downarrow_\sigma}v)(m)={\downarrow_{\sigma(m)}}(v(m))</math>, <math>({\uparrow^\sigma}\lambda)(m)={\uparrow^{\sigma(m)}}(\lambda(m))</math> и <math>(*\,\omega)(m)=*(\omega(m))</math>).</ul> | + | <li>Градиент функции: <math>\nabla f={\uparrow^\sigma}(\mathrm df)</math>; дивергенция и ротор вект. поля: <math>\mathrm{div}\,v=*\,\mathrm d\,{*}\,({\downarrow_\sigma}v)</math> и <math>\mathrm{rot}\,v={\uparrow^\sigma}(*\,\mathrm d({\downarrow_\sigma}v))</math>; лапласиан функции: <math>\Delta f=\mathrm{div}(\nabla f)</math><br>(опускание индекса, подъем индекса и оператор Ходжа на <math>M</math>: <math>({\downarrow_\sigma}v)(m)={\downarrow_{\sigma(m)}}(v(m))</math>, <math>({\uparrow^\sigma}\lambda)(m)={\uparrow^{\sigma(m)}}(\lambda(m))</math> и <math>(*\,\omega)(m)=*(\omega(m))</math>).</ul>--> |
Версия 17:00, 10 октября 2017
3 Билинейная и полилинейная алгебра
|
3.4 Тензорные произведения векторных пространств
3.4.1 Определения, конструкции и основные теоремы, связанные с тензорами
- Тензорное произведение пространств: , где и — подпространство полилинеаризации.
- Разложимый тензор: . Утверждение: .
- Теорема об универсальности тензорного произведения. Пусть — поле, и — векторные пространства над полем ; тогда
отображение — полилинейный оператор, и для любых существует единственный
такой линейный оператор , что для любых выполнено
(и, значит, отображение — изоморфизм векторных пространств). - Теорема о базисе тензорного произведения. Пусть — поле, , — векторные пространства над полем и —
базисы пространств соответственно; тогда все тензоры , где , попарно различны и вместе
образуют базис пространства , а также, если , то . - Ранг тензора : равен минимальному среди всех таких чисел , что , где — разложимые тензоры.
- Первая теорема о канонических изоморфизмах. Пусть — поле и — векторные пространства над полем ; тогда
и , а также . - Тензорное произв.-е тензоров: . Тензорное произв.-е гомоморфизмов (): .
- Вторая теорема о канонических изоморфизмах. Пусть — поле и — векторные пространства над полем ; тогда
(1) отображение — инъективный гомоморфизм векторных пространств, а также,
если , то данное отображение — изоморфизм векторных пространств;
(2) отображение — инъективный гомоморфизм векторных пространств, а также, если , то
данное отображение — изоморфизм векторных пространств;
(3) отображения и — инъективные гомоморфизмы векторных
пространств, а также, если , то данные отображения — изоморфизмы векторных пространств.
3.4.2 Тензорная алгебра и тензоры в координатах
- Пространство тензоров типа : . Примеры: , , , , .
- Примеры: — пространство структур алгебры на , — пространство структур коалгебры на .
- Утверждение: пусть и ; тогда — изоморфизм вект. пространств.
- Тензорная алгебра: — ассоциативная -алгебра с (в опред. умножения используются изоморфизмы ).
- Теорема о тензорной алгебре. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; обозначим через
число ; тогда множество — базис алгебры , и для любых элементов
и этого базиса выполнено (и, значит,
линейное отображение, заданное на базисе по правилу , — изоморфизм алгебр с ). - Тензор в координатах: . Примеры: , , .
- Примеры: — метрический тензор, — форма объема.
- Формула замены коорд. тензора: (здесь и ).
3.4.3 Операции над тензорами
- Перестановки компонент тензоров в общем случае. Представление группы в простр.-ве : .
- Тензорное произведение тензоров в координатах: . Кронекеровское произведение матриц.
- Свертка по паре : .
- Свертка по паре в координатах: . Теорема о свертках тензоров малой валентности.
Теорема о свертках тензоров малой валентности. Пусть — поле, — векторное пространство над полем и ; тогда
(1) для любых , и выполнено , , и ;
(2) для любых и выполнено и . - Теорема об обратном метрическом тензоре. Пусть — поле, — векторное пространство над полем , и ; тогда
(1) прообраз гомоморфизма относительно изоморфизма равен тензору ;
(2) если форма невырождена, то, обозначая через прообраз гомоморфизма относительно изоморфизма
(тензор — тензор типа , обратный к тензору ), для любых имеем следующий факт: . - Опускание индекса: .
- Подъем индекса: .
- Опускание и подъем в координатах: , .
3.5 Симметрические и внешние степени векторных пространств
3.5.1 Определения и конструкции, связанные с симметричными и антисимметричными тензорами
- Симметрическая и внешняя степени: и .
- Лемма о симметричных и антисимметричных ковариантных тензорах и полилинейных формах. Пусть — поле, , — вект. пр. над ,
, ; обозначим через изоморфизм ; тогда
(1) для любых , обозначая через автоморфизм , имеем следующие факты:
, и ;
(2) и (и, значит, и ). - Операторы симметризации и альтернирования: и . Лемма о симметризации и альтернировании.
Лемма о симметризации и альтернировании. Пусть — поле, , — векторное пространство над полем и ; тогда
(1) для любых выполнено и ;
(2) для любых выполнено и для любых выполнено ;
(3) , и , (то есть — проектор на и — проектор на ). - Симметрич. произведение векторов: . Внешнее произведение векторов: .
- Лемма о симметрическом произведении и внешнем произведении векторов. Пусть — поле, , — вект. пр. над , ; тогда
(1) и для любых и выполнено ;
(2) и для любых и выполнено . - Теорема о базисе симметрической степени и базисе внешней степени. Пусть — поле, , — векторное пространство над полем ,
, и ; обозначим через число ; тогда
(1) все тензоры , где и , попарно различны и вместе образуют базис пространства ;
(2) все тензоры , где и , попарно различны и вместе образуют базис пространства ;
(3) и . - Симметрич. тензор в координатах: . Антисимметрич. тензор в координатах: .
- Примеры: — форма объема, .
3.5.2 Симметрическая алгебра и внешняя алгебра
- Симметрич. и внешняя степени гомоморфизма: и (корректность следует из ).
- Утверждение: пусть и ; тогда и .
- Симметрическое произведение тензоров: . Внешнее произведение тензоров: .
- Лемма о симметрическом произведении и внешнем произведении тензоров. Пусть — поле, , — векторное пространство над
полем , , и , , ; тогда
(1) и ;
(2) и ;
(3) и
(симметрическое произведение ассоциативно и внешнее произведение ассоциативно);
(4) и ;
(5) и (симметрическое произведение коммутативно и внешнее произведение суперкоммутативно). - Симметрическая алгебра (алгебра симметричных контравариантных тензоров): — ассоциативная коммутативная -алгебра с .
- Внешняя алгебра (алгебра антисимметричных контравариантных тензоров): — ассоциативная суперкоммутативная -алгебра с .
- Теорема о симметрической алгебре и внешней алгебре. Пусть — поле, , — векторное пространство над полем ,
и ; обозначим через число ; тогда
(1) множество — базис алгебры , и для любых элементов и
этого базиса выполнено , где числа суть числа ,
упорядоченные по неубыванию;
(2) множество — базис алгебры , и для любых элементов
и этого базиса выполнено , где
числа суть числа , упорядоченные по возрастанию.