[数学基础] 浅尝向量与张量

浅尝向量与张量

大家好!今天我们来聊聊数学和物理中两个非常重要的概念:向量张量。无论你是刚接触线性代数的学生,还是对广义相对论或机器学习感兴趣的研究者,理解这两个概念都会让你的知识体系更加扎实。本文将从直观的例子出发,逐步深入,带你领略向量和张量的魅力。


1. 什么是向量?

1.1 从物理和数学角度看向量

在物理学中,向量被定义为 既有大小又有方向的量。比如位移、速度、力、电场强度等。它们可以用带箭头的线段表示,箭头的长度代表大小,箭头指向代表方向。

在数学中,向量被抽象为 向量空间中的元素 ,可以进行加法和数乘运算。常见的表示方法是用有序数组,比如二维向量v⃗=(vx,vy)\vec{v} = (v_x, v_y)v =(vx,vy),三维向量v⃗=(vx,vy,vz)\vec{v} = (v_x, v_y, v_z)v =(vx,vy,vz)。

1.2 向量的运算

  • 加法:平行四边形法则或三角形法则。对应分量相加。
  • 数乘:缩放向量的长度,方向可能反转(负系数)。
  • 点积(内积) :a⃗⋅b⃗=∣a⃗∣∣b⃗∣cos⁡θ\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| |\vec{b}| \cos\thetaa ⋅b =∣a ∣∣b ∣cosθ,结果是一个标量。用于计算投影、角度、功等。
  • 叉积(外积) :仅适用于三维,a⃗×b⃗\vec{a} \times \vec{b}a ×b 结果是一个向量,方向垂直于原平面,大小等于平行四边形面积。用于力矩、角动量等。

1.3 向量的应用

向量几乎无处不在:物理中的力学分析、计算机图形学中的坐标变换、机器学习中的特征向量......它们是描述线性关系的基石。


2. 从向量到张量:为什么需要张量?

向量已经很有用了,为什么还要引入张量呢?因为现实世界中有些量 需要多个方向信息才能完整描述

  • 标量:只需一个数(温度、质量)。
  • 向量:需要一个方向和大小(力、速度)。
  • 张量:需要多个方向之间的映射关系(应力、应变、曲率)。

举个例子:在固体力学中,物体内部某点的应力 状态不能仅用一个向量表示,因为不同方向的截面上的应力不同。我们需要一个 二阶张量(应力张量)来描述该点的受力情况,它包含9个分量(三维中)。

另一个例子:广义相对论中,时空的弯曲由黎曼曲率张量描述,它是一个四阶张量。


3. 张量的定义与表示

3.1 张量的直观理解

简单来说,张量是一个满足特定坐标变换规则的多维数组。它的"阶数"(或"秩")表示需要多少个指标来索引它的分量。

  • 0阶张量:标量(一个数)。
  • 1阶张量:向量(一组数,需要1个指标)。
  • 2阶张量:矩阵(一组数,需要2个指标)。
  • 3阶张量:立体数组(需要3个指标),等等。

但张量不仅仅是数组,它的核心在于 在坐标系变换下,分量的变化遵循一定的线性规则。这个规则保证了张量所描述的物理量不依赖于人为选择的坐标系。

3.2 张量的分量表示

在三维空间中,一个二阶张量T\mathbf{T}T可以写成矩阵形式:

T=(T11T12T13T21T22T23T31T32T33) \mathbf{T} = \begin{pmatrix} T_{11} & T_{12} & T_{13} \\ T_{21} & T_{22} & T_{23} \\ T_{31} & T_{32} & T_{33} \end{pmatrix} T= T11T21T31T12T22T32T13T23T33

每个分量TijT_{ij}Tij对应于基向量的组合。比如应力张量中,TijT_{ij}Tij表示作用在法向为iii方向的面上的jjj方向的面力分量。

3.3 坐标变换下的行为

这是张量最核心的特征。当坐标系旋转时,向量的分量会按一定规则变化;同样,二阶张量的分量变化规则涉及两个旋转矩阵的乘积(每个指标对应一个变换矩阵)。这个性质保证了张量方程的形式在任意坐标系下都成立------这正是物理学定律所要求的。


4. 张量的运算

张量的运算与向量类似,但更丰富。

  • 加减:对应分量相加减(要求同阶)。
  • 数乘:每个分量乘以标量。
  • 张量积(外积) :将两个张量组合成一个更高阶的张量。例如两个向量u⃗\vec{u}u 和v⃗\vec{v}v 的张量积u⃗⊗v⃗\vec{u} \otimes \vec{v}u ⊗v 得到一个二阶张量,其分量为uivju_i v_juivj。
  • 缩并 :对张量的两个指标求和,降低阶数。例如二阶张量的缩并就是求迹(∑iTii\sum_i T_{ii}∑iTii),得到标量。
  • 内积:实际上是张量积后再缩并。例如向量的点积就是两个一阶张量先张量积得二阶,再缩并得零阶。

这些运算在连续介质力学、电磁学、相对论中频繁出现。


5. 张量的应用举例

5.1 应力张量与应变张量

在连续介质力学中,物体内一点的应力状态由应力张量σij\sigma_{ij}σij描述。通过它,我们可以计算任意方向截面上的应力向量。类似地,应变张量描述物体的变形。胡克定律(线性弹性)就是应力张量与应变张量之间的线性关系:σij=Cijklϵkl\sigma_{ij} = C_{ijkl} \epsilon_{kl}σij=Cijklϵkl,其中CCC是四阶弹性张量。

5.2 惯性张量

在刚体动力学中,惯性张量是一个二阶张量,它描述了刚体绕不同轴旋转的惯性大小。角动量L⃗\vec{L}L 与角速度ω⃗\vec{\omega}ω 的关系为L⃗=I⋅ω⃗\vec{L} = \mathbf{I} \cdot \vec{\omega}L =I⋅ω ,这里I\mathbf{I}I就是惯性张量。

5.3 电磁场张量

在狭义相对论中,电场和磁场统一为电磁场张量FμνF_{\mu\nu}Fμν,它是一个四维时空中的二阶反对称张量。麦克斯韦方程组可以用这个张量简洁地表示为两个张量方程,体现了洛伦兹协变性。

5.4 黎曼曲率张量

在广义相对论中,黎曼曲率张量R σμνρR^{\rho}_{\ \sigma\mu\nu}R σμνρ是一个四阶张量,它完全描述了时空的弯曲。爱因斯坦场方程就是关于该张量的缩并(里奇张量)与能量-动量张量的关系。

5.5 机器学习中的张量

在现代深度学习框架(如TensorFlow、PyTorch)中,数据通常以张量的形式存储和运算。图像可以是三维张量(高×宽×通道),视频可以是四维张量(帧×高×宽×通道),Transformer模型中的注意力矩阵也是张量。这些框架的名字就来源于"张量"一词,体现了其核心数据结构。


6. 总结

概念 阶数 例子 变换规则
标量 0 温度、质量 不变
向量 1 速度、力 乘以一个变换矩阵
二阶张量 2 应力、惯性张量 乘以两个变换矩阵
高阶张量 ≥3 曲率张量、弹性张量 乘以多个变换矩阵

从向量到张量,我们从一个方向的信息扩展到了多方向、多层次的线性关系。张量不仅统一了向量和标量,还为描述复杂的物理现象提供了强大的语言。无论你未来从事哪个领域,掌握张量的基本思想都会让你对世界的理解更加深刻。

希望这篇文章能帮助你建立对向量和张量的直观认识。如果你有任何问题或想法,欢迎在评论区留言讨论!


参考书目

  • 《矢量与张量分析》(冯卡门等)
  • 《广义相对论基础》(赵峥)
  • 《Deep Learning》(Ian Goodfellow et al.)

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