张量代数
不同类型的张量之间是没有加法的。因此我们暂时还不能够构造出所谓的张量代数。下面我们考虑线性空间的直和。有了直和的概念后,张量代数便可以建立起来。
直和与张量代数
设 X1,⋯,Xs 是数域 K 上的线性空间。我们从每个空间中抽出
一个元素,组合在一起表示为:
(x1,⋯,xs),xi∈Xi
所有这种组合形成一个集合。在这个集合上我们可以定义加法 ⊕ 和数乘为:
(x1,⋯,xs)⊕(y1,⋯,ys)=(x1+y1,⋯,xs+ys)λ(x1,⋯,xs)=(λx1,⋯,λxs)
这样, 这个集合形成一个线性空间, 称为 X1,⋯,Xs 的 (外)直和 (external direct sum)。记为:
X1⊕⋯⊕Xs
这里来辨析一下:直积 (卡氏积),外直和,内直和,张量积 的概念。
- 直积 (卡氏积):
两个集合 X,Y 的卡氏积为:
X×Y={(x,y)∣x∈X,y∈Y}
其中只要求 X,Y 为一个集合就可以定义卡氏积 X×Y。
为了区分外直和与内直和,对应的加法分别用 ⊕e 与 ⊕i 表示,在不引起歧义时,用 ⊕ 表示。
- 外直和:
对于数域 K 上的线性空间 X,Y 的来说,它们的外直和为线性空间:(X,⊕e,⋅)。其中 ⊕e 为外直和空间中的加法运算:
(x1,⋯,xs)⊕(y1,⋯,ys)=(x1+y1,⋯,xs+ys)
- 内直和:
设 X 和 Y 是 U 的两个子空间,且有 X∩Y={0}。则 X 和 Y 的内直和定义为:
X⊕Y={x+y∣x∈X,y∈Y}
当然 X⊕Y 配以 U 的加法与数乘也构成一个线性空间。
- 张量积
张量积将卡氏积空间映射成张量积空间,对于线性空间 X,Y,其张量积为:
X⊗Y=L(2)(X∗,Y∗;K)
L(2)(X∗,Y∗;K) 中的元素均为双线性映射,具有双线性性:
α(x⊗y)=(αx)⊗y=x⊗(αy)
直和空间的映射
设 fi:Xi→Zi,i=1,⋅⋅⋅,s 是由线性空间 Xi 到线性空间 Zi 的 s 个线性映射。可以定义直和空间之间的映射 f:
f:i=1⨁sXi→i=1⨁sZi
为
f:(x1,⋅⋅⋅,xs)↦(f1(x1),⋅⋅⋅,fs(xs))
不难得到 f 为一个多重线性函数。Xi 的直和运算形成了一个多重线性空间,更自然地从 Xi 上的线性函数 fi 构造出了多重线性函数 f。空间的直和诱导出了不同线性函数的“直和“运算,我们考虑如下对“直和”封闭的空间:
逆变张量代数
直和空间
T(X)=r=0⨁∞X0r=r=0⨁∞(k=0⨂rX)=K⊕X⊕(X⊗X)⊕(X⊗X⊗X)⊕+⋯
是数域 K 上的无穷维线性空间。这个线性空间上还有一个乘法,即张量积 ⊗ 操作。从而 T(X) 形成一个代数。
协变张量代数
直和空间
T∗(X)=s=0⨁∞Xs0=s=0⨁∞(k=0⨂sX∗)
在张量积运算下也是一个代数。
更一般的张量代数:
T(X)=s,r=0⨁∞Xsr
这些空间对张量的直和运算自然也是封闭的。
这些张量代数的构造和量子场论中 Fock 空间的构造比较类似: X→H。其中 H 是无穷维的单粒子 Hilbert 空间。
张量代数上的一些操作
映射的扩张
将映射扩张到 r-阶逆变张量空间,设有如下线性映射:
A:X→Z,u↦A(u)∈Z, ∀u∈X
是一个线性映射,则我们得到它的一个扩张,即由
Tr(X)=rX⊗⋯⊗X
到
Tr(Z)=rZ⊗⋯⊗Z
的唯一的一个映射 (其中 Ar 中的 r 的含义自明):
Ar=rA⊗⋯⊗A:Tr(X)→Tr(Z)
更进一步地,我们可以将 A 扩张至整个代数 T(X)。类似的,对于对偶空间之间的线性映射,我们也可以将其唯一的扩张到整个协变张量代数。
线性映射的转置
设 A:X→Z 是一个线性映射。X 和 Z 的对偶空间分别为 X∗ 和 Z∗。则线性映射 A 的转置定义为:
tA:Z∗→X∗w∗↦tA(w∗)=w∗∘A, ∀w∗∈Z∗
设 X 的对偶基分别为 {ei} 和 {e∗i},而 Z 的基和对偶基分别为 {hα} 与 {h∗α},设映射 A 将 u∈X 映成 w∈Z,则可以表示为:
A(u)=uiA(ei)=uiAi αhα=wαhα=w
用分量形式表示为:
wα=Ai αui
那么对于映射的转置,我们有:
tA(w∗)(u)=w∗∘A(u)=w∗(A(u))=uiAi αw∗(hα)=uiAi αwβ∗h∗β(hα)=uiAi αwβ∗δ αβ=uiAi αwα∗=e∗i(u)Ai αwα∗=(e∗iAi αwα∗)(u)
从而有:
tA(w∗)=e∗iAi αwα∗=ui∗e∗i=u∗
得到分量形式为:
ui∗=Ai αwα∗
转置的扩张
设 A:X→Z 是一个线性映射。它的转置 tA 显然也是一个线性映射,即 tA:Z∗→X∗。故我们可以将其扩张到整个代数 T∗(Z) 得到映射:
tA:T∗(Z)→T∗(X)
同构映射逆的转置
设 A 是一个同构,则其存在逆映射 A−1:Z→X。再考虑这个逆映射的转置,我们便得到一个由 X∗ 到 Z∗ 的线性映射
tA−1:X∗→Z∗
如此,我们可以将同构映射可以扩张到整个张量代数。
外代数
张量的对称化与反对称化
二阶张量的对称化和反称化
对于 (0,2)-型张量 Tab,它的 对称 部分和 反对称 部分为:
T(ab)=21(Tab+Tba),T[ab]=21(Tab−Tba)
其中 (⋯) 表示对对应指标对称化处理,[⋯] 表示对对应指标反对称化处理。
对于 (0,s)-型张量 Ta1⋯as,利用置换 π,可以将它的对称和反对称部分写为:
T(a1⋯as)=s!1π∑Taπ(1)⋯aπ(s)T[a1⋯as]=s!1π∑sign(π)Taπ(1)⋯aπ(s)
其中 π 是一个关于 (1,⋯,s) 的一个置换,即:
π:(1,⋯,s)↦(π(1),⋯,π(s))
对于偶置换来说,sign(π)=1;对于奇置换来说,sign(π)=−1。
若 Ta1⋯as=T(a1⋯as) 则称 T 是 全对称 的,若 Ta1⋯as=T[a1⋯as] 则称 T 是 全反对称 的。对于 (r,0)-型张量 Ta1⋯as,同样可以给出类似的定义。
外积
反对称协变张量的空间
现在我们考虑反对称张量能否形成一个代数。进行以下观察:
- 对 Ts(X) 中的所有张量进行反对称化,便可以得到一个 s-阶反对称张量形成的集合。
- 显然两个反对称张量的相加仍然是反对称张量。故这个集合形成 Ts(X) 的一个子空间。记为:
Λs(X)
通常我们称 s-阶反对称张量为 s-形式 (s-form)。因此 Λs(X) 是所有 s− 形式形成的线性空间。
- 特别地, 我们有 Λ0(X)=K,Λ1(X)=T1(X)
- 设 x∈Λs(X),y∈Λq(X),考虑考虑它们的张量积,虽然 x⊗y∈Ts+q(X),但 x⊗y∈/Λs+q(X)。即两个外形式的张量积并不是一个外形式。那么各种阶数的 s-形式的集合配以 ⊗ 并不成一个代数。
我们需要定义新的乘积才能使得各种阶数的 s-形式的集合能够形成一个代数。为此,我们引入 外积 (exterior, wedge, Grassmann product) ∧:
∧:Λs(X)×Λq(X)→Λs+q(X)∧:(x,y)↦x∧y
其中 x∧y 可以表示为:
(x∧y)a1⋯asb1⋯bq=s!q!(s+q)!x[a1⋯asyb1⋯bq]
通常来说,外积 (x∧y)a1⋯asb1⋯bq 也记作 xa1⋯as∧yb1⋯bq。可以证明外积满足如下 性质:
(x1+x2)∧y=x1∧y+x2∧y,x∧(y1+y2)=x∧y1+x∧y2,
(x∧y)∧z=x∧(y∧z)
x∧y=(−1)sqy∧x
证明
(x∧y)a1⋯asb1⋯bq=s!q!(s+q)!x[a1⋯asyb1⋯bq]=s!q!1π∑sign(π)xaπ(1)⋯aπ(s)ybπ(s+1)⋯bπ(s+q)=s!q!1π∑sign(π)ybπ(s+1)⋯bπ(s+q)xaπ(1)⋯aπ(s)=s!q!(−1)sqπ∑sign(π)ybπ(1)⋯bπ(q)xaπ(q+1)⋯aπ(s+q)=s!q!(−1)sq(s+q)!y[b1⋯bqxa1⋯as]=(−1)sq(y∧x)b1⋯bqa1⋯as
因为外积满足结合律,x∧y∧z 是有意义的,我们可以定义多个外形式的外积。例如,对于 wi∈Λ1(X), i=1,⋯,s,则我们有:
(w1∧⋯∧ws)a1⋯as=s!(w1)[a1⋯(ws)as]
现在我们考虑给定基底计算外积。设 x∈Λs(X),(e∗i)a 为 X 的一个对偶基。则 x 可以表示为:
xa1⋯as=xi1⋯is(e∗i1)a1⋯(e∗is)as
因为 xa1⋯as=x[a1⋯as],所以有:
xa1⋯as=xi1⋯is(e∗i1)[a1⋯(e∗is)as]=s!1xi1⋯is(e∗i1∧⋯∧e∗is)a1⋯as=s!1xi1⋯is(e∗i1)a1∧⋯∧(e∗is)as
若不用抽象指标, 外形式 x 可以展开为:
x=s!1xi1⋯is(e∗i1∧⋯∧e∗is)
因此 e∗i1∧⋯∧e∗is 是 Λs(X) 的基。可以证明 Λs(X) 的维数为:
dim(Λs(X))=s!(n−s)!n!
其中 n=dim(X)。
设 {e∗i1⋯e∗in} 为 X 上的一组基底。我们要从中选取 s 个不同的基底组成 Λs(X) 的基底,因此 Λs(X) 的维数为:
dim(Λs(X))=Csn=s!(n−s)!n!
外代数
类似于定义张量代数,为了定义外代数,我们也需要考虑如下直和空间 (s⩽n):
Λ(X)=s=0⨁nΛs(X)
其维数为:
dim(Λ(X))=s=0∑nCsn=2n
Λ(X) 中的元素具有形式:
x=s=0⨁nxs,y=s=0⨁nys
它们的外积定义为:
x∧y=s,k=0⨁nxs∧yk
线性空间 Λ(X) 配以上面定义的外积。我们便建立的一个代数称为 外代数 或 Grassman 代数。外代数在微分几何中是非常重要的代数结构。对于全反对称逆变张量,我们也可以构造相应的外代数。例如 Λs(X) 代表所有 (s,0)-阶全反对称逆变张量形成的空间。相应的外积仍然记为 ∧。