
МФТИ 2012 Умнов АЕ АГ+ЛА Стр001-544
.pdfПрил. 4 . Элементы тензорного исчисления |
499 |
|||
2°. Система линейных уравнений вида |
|
|||
α11ξ1 + α12 |
ξ2 + ... + α1n ξn |
= β1 |
||
α12 ξ1 |
+ α22 |
ξ2 |
+ ... + αn2 ξn |
= β2 |
|
|
|
|
|
............................................. |
||||
αn ξ1 |
+ αn |
ξ2 |
+ ... + αn ξn |
= βn |
1 |
2 |
|
n |
|
с учетом соглашений о тензорных обозначениях за-
писывается просто как αik ξi = βk .
Используя соглашения о тензорных обозначениях и принимая во
|
внимание, что числа σij |
и τij |
(компоненты матриц прямого и обрат- |
|||||||||||||||||||
|
ного перехода между базисами {g1 , g 2 ,..., g n } |
|
′ |
′ |
|
|
|
′ |
||||||||||||||
|
и {g1 |
, g 2 ,..., g n }) |
||||||||||||||||||||
|
являются также компонентами тензоров типа (1,1), сформулируем |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Определение |
Будем говорить, что в вещественном линейном про- |
||||||||||||||||||||
|
Прил. 4.2.1. |
странстве |
Λn |
определен тензор типа (q, p) , |
q раз |
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
контравариантный и p |
|
раз ковариантный, |
если в |
|||||||||||||||||
|
|
Λn |
|
задан объект, который в каждом базисе характе- |
||||||||||||||||||
|
|
ризуется |
|
упорядоченным |
|
набором |
n p+q |
|
|
чисел |
||||||||||||
|
|
j |
j ... j |
|
|
|
|
jm ; m = [1, q] |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
ξi 1i |
|
...2 i |
p |
q |
|
(где |
– |
контравариантные |
||||||||||||
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
индексы и ik ; k = [1, p] |
– |
ковариантные), изменяю- |
||||||||||||||||||
|
|
щимся при переходе от базиса {g1 , g 2 ,..., g n } к ба- |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
′ |
|
′ |
|
′ |
} по закону |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
зису {g1 |
, g 2 |
,..., g n |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
j′ |
j′ |
... j′ |
|
i |
i |
i |
p |
j′ |
j′ |
j |
′ |
j j |
... j |
q |
|
||
|
|
|
ξ′i |
1 2 |
q |
|
|
...τ j |
q |
1 2 |
|
|
. |
|||||||||
|
|
|
′i′ ...i′ |
= σi1′ |
σi2′ ...σi′ |
τ j1 |
τ j2 |
q |
ξi i ...i |
p |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
1 2 |
p |
|
1 |
2 |
|
p |
1 |
2 |
|
1 2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

Прил. 4 . Элементы тензорного исчисления |
501 |
Линейный |
Двухвалентный |
(один |
a¢k |
= t j |
sk ai |
||
m |
m |
i |
j |
||||
$ |
раз |
контравариантный |
|
|
|
|
|
оператор A |
и один раз ковариант- |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
ный) тензор типа (1,1) |
|
|
|
|
||
|
aij |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Билинейный |
Двухвалентный |
(дваж- |
b¢km |
= sk smb ji |
|||
|
j |
i |
|
||||
функционал |
ды ковариантный) тен- |
|
|
|
|
||
B(x, y) |
зор типа (0,2) b ji |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Квадратичный |
Двухвалентный |
(дваж- |
j¢km |
= sk sm j ji |
|||
|
j |
i |
|
||||
функционал |
ды ковариантный) тен- |
|
|
|
|
||
Φ(x) |
зор типа (0,2) j ji |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Символ |
Двухвалентный |
(один |
d¢k |
= t j |
sk di |
||
m |
m |
i |
j |
||||
Кронекера |
раз |
контравариантный |
|
|
|
|
|
1, i = j |
и один раз ковариант- |
|
|
|
|
||
dij = |
ный) тензор типа (1,1) |
|
|
|
|
||
0, i ¹ j |
dij |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица Прил. 4.2.1 содержит описание основных тензорных объ- ектов и правил пересчета их компонентов при замене базиса.
Отметим, что последний из приведенных в таблице Прил. 4.2.1 тензоров – символ Кронекера – во всех базисах имеет компоненты, совпадающие с компонентами единичной матрицы, если считать, что верхний индекс этого тензора есть номер строки, а нижний – столбца. Действительно, по определению Прил. 4.2.1 справедливы соотноше- ния
d¢m = tm si |
d j |
= tm s j |
1, i = j, |
|
= |
||||
k |
j k |
i |
j k |
0 , i ¹ j. |
|
|
|
|

504 |
|
|
|
|
|
|
Аналитическая геометрия и линейная алгебра |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2°. Найдем компоненты этого тензора |
|
f (gk , gl ) |
|
в исходном |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
базисе |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
g1 |
|
|
|
g = |
0 |
|
; |
|
|
|
g 2 |
|
|
|
g = |
1 |
|
|
; |
|
|
|
g3 |
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
; |
|
|
|
g |
4 |
|
|
|
|
g = |
0 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
g |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
По условию задачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
f (g1 , g3 ) = 1 ; f (g 2 , g 4 ) = 3 и f (gk , gl ) = 0 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
в остальных случаях. Таким образом, искомая матрица |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
тензора имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
0 |
|
3 |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Приложение 4.3. Операции с тензорами
Вводимые ниже операции с тензорами во всех случаях требуют обоснования того, что результатом каждой из них является также тензор. В рамках данного курса эти утверждения предлагаются в качестве упражнений.
Сложение тензоров
|
Определение |
|
Пусть |
даны два тензора типа |
(q, p) |
α j1 j2 ... jq и |
|||||
|
Прил. 4.3.1. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i1i2 ...i p |
|
|
j1 j2 ... jq |
|
|
|
j1 j2 ... jq |
|
||||
|
|
|
. Тензор типа |
(q, p) |
|
|
|||||
|
|
|
β i i ...i |
p |
γ i i |
...i |
p |
называется |
|||
|
|
|
1 2 |
|
|
|
1 2 |
|
|


|
|
Прил. 4 . Элементы тензорного исчисления |
|
|
|
|
|
|
|
|
507 |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
Решение. |
По определению тензорного произведения c есть тен- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
зор типа (0,4) с матрицей, составленной (с учетом |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
соглашения о порядке индексов) из поэлементных про- |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
изведений вида aijk bl , где |
aijk и bl – компоненты |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
тензоров a и b соответственно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
Таким образом, матрица тензора c имеет вид |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1× 9 |
2 × 9 |
|
1×10 |
|
|
2 ×10 |
|
|
|
9 18 |
|
10 20 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
3 × 9 |
4 × 9 |
|
3 ×10 |
|
4 ×10 |
|
= |
|
27 |
|
36 |
|
|
|
30 |
40 |
|
|
|
|
. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
5 × 9 |
6 × 9 |
|
5 ×10 |
|
6 ×10 |
|
|
45 |
|
54 |
|
|
|
50 |
60 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
7 × 9 |
8 × 9 |
|
7 ×10 |
|
8 ×10 |
|
|
|
|
63 |
|
72 |
|
|
|
70 |
80 |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Свертывание тензоров |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
Определение |
|
|
|
|
Пусть |
дан |
тензор |
типа |
(q, p) α j1 j2 ... jq , |
причем |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
Прил. 4.3.4. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i1i2 ...ip |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
q ³ 1 и p ³ 1 . Выберем один верхний (например, |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
jr ) и один нижний (например, is ) индексы и в запи- |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
си тензора заменим их обозначения одним и тем же |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
символом (например, m ). Тензор типа (q -1, p -1) |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j1 j2 ... jq −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β i i |
...i |
p −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
называется |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j1 j2 ... jr ... jq |
по индек- |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
сверткой тензора α i i |
...i |
...i |
p |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 2 |
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
сам jr и is , если в каждом базисе имеет место ра- |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
венство |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
j1 j2 ... jq −1 |
= |
|
|
j1 j2 ...m... jq |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β i i |
...i |
p −1 |
|
α i i |
...m...i |
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|
1 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
