تانسور
در ریاضیات، تانسور (Tensor) شیئی جبری است که رابطه چندخطی بین مجموعهها و اشیاء جبری مربوط به یک فضای برداری را توصیف مینماید. اشیائی که تانسورها آنها را به یکدیگر مینگارند شامل اسکالرها، بردارها و حتی خود تانسورها میشوند. انواع زیادی از تانسورها شامل این موارد وجود دارند: اسکالرها، بردارها (که جزو سادهترین تانسورها میباشند)، بردارهای دوگان، نگاشتهای چندخطی بین فضاهای برداری و حتی عملیاتی چون ضرب داخلی. تانسورها مستقل از هر پایهای تعریف میشوند، گرچه که اغلب، مؤلفههای آنها را برحسب پایهٔ مربوط به یک دستگاه مختصاتی بهخصوصی نمایش میدهند.
تانسورها نقش مهمی را در فیزیک پیدا کردهاند، چرا که چهارچوب ریاضیاتی دقیقی را برای فرمولهبندی و حل مسائل فیزیکی، در شاخههایی چون این موارد را ارائه مینمایند: مکانیک (تنش، کشسانی، مکانیک سیالات، گشتاور لختی، ...)، الکترودینامیک (تانسور الکترومغناطیسی، تانسور ماکسول، گذردهی، پذیرفتاری مغناطیسی، ...)، نسبیت عام (تانسور تنش-انرژی، تانسور انحنا، ...) و سایر زمینهها. در مواردی از کاربردهای تانسور، ممکن است نیاز باشد که تانسور یک نقطه از یک شیء با تانسورهای تعریف شده از نقاط دیگر همان شیء متفاوت باشند، چنین مواردی ما را به سوی مفهوم میدان تانسوری میکشاند. در برخی از زمینهها، میدانهای تانسوری چنان رایج اند که از آنها صرفاً به «تانسور» یاد میشود.
تولیو لوی-چیویتا و گرگریو ریچی-کورباسترو تانسورها را در ۱۹۰۰ میلادی ترویج دادند و بدین طریق کارهای قبلی برنهارت ریمان و الوین برونو کریستوفل و سایرین را به عنوان بخشی از حساب دیفرانسیل مطلق ادامه دادند. این مفهوم امکان فرمولهبندی دیگری برای هندسه دیفرانسیل ذاتی یک منیفلد به فرم تانسور انحنای ریمانی را فراهم ساخت.
تعریف
گرچه که تعاریف مختلف تانسورها به ظاهر متفاوت اند اما همه آنها یک شیء هندسی را توصیف مینمایند، اما با زبانهای متفاوت و در سطوح متفاوتی از تجرید. به عنوان مثال، تانسورها برای کاربردهای یادگیری ماشین نیز تعریف شده و مورد بحث قرار میگیرند.
به عنوان آرایههای چندبعدی
تانسور را میتوان به صورت آرایه (معمولاً چندبعدی) نمایش داد. درست همانگونه که یک بردار در یک فضای n-بعدی به صورت آرایه یک بعدی با n مؤلفه و نسبت به پایه دلخواهی نمایش داده میشود، هر تانسور را نیز میتوان برحسب یک پایه و با کمک آرایهای چندبعدی نمایش داد. به عنوان مثال، یک عملگر خطی را برحسب یک پایه و به صورت آرایهای
درست همانگونه که مؤلفههای بردار هنگام تغییر پایهٔ فضای برداری عوض میشوند، مؤلفههای یک تانسور نیز تحت چنین تبدیلاتی عوض میشوند. هر نوع تانسور مجهز به یک قانون تبدیل است که جزئیات چگونگی واکنش به تغییر پایه را نشان میدهد. مؤلفههای یک بردار به دو طریق مجزا قادرند به تغییرات پایه واکنش دهند (بردارهای هموردا و پادوردا)، به طوری که بردارهای واقع در پایههای جدید
در اینجا
که علامت کلاه روی متغیر، مؤلفههای پایه جدید را نشان میدهد. به فرمول بالا قانون تبدیل پادوردا گفته میشود، چرا که مؤلفههای برداری نسبت به تغییر پایه به صورت معکوس تبدیل میشوند. در مقایسه با آن، مؤلفههای
به این تبدیل، قانون تبدیل هموردا گفته میشود، چرا که مؤلفههای هموردا براساس همان ماتریس تغییر پایه تبدیل میگردند. مؤلفههای تبدیلات تانسوری کلیتر، براساس ترکیب تبدیلات هموردا و پادوردا تبدیل میشوند، به گونهای که برای هر اندیس یک قانون تبدیل به کار میرود. اگر ماتریس تبدیل یک اندیس معکوس تبدیل پایه باشد، آنگاه به آن اندیس پادوردا گفته شده و اغلب با اندیس بالا (بالانویس) نمایانده میگردد. اگر ماتریس تبدیل یک اندیس، خودِ تبدیل پایه باشد، آنگاه به اندیس مورد نظر هموردا گفته شده و با اندیس پایین (پاییننویس) نشان داده میشود.
به عنوان مثالی ساده، ماتریس عملگر خطی نسبت به یک پایه، آرایه مستطیلی چون
ترکیب مؤلفههای هموردا و پادوردایی که اندیسهای یکسانی دارند، امکان بیان ناورداهای هندسی را به ما میدهد. به عنوان مثال، این حقیقت که یک بردار در دستگاههای مختصاتی متفاوت شیء یکسانی است را میتوان با استفاده از فرمولهای تعریف شده در بالا به صورت معادلات زیر نوشت:
که در آن
بهطور مشابه، یک عملگر خطی را میتوان به صورت شیء هندسی دید که عملاً به هیچ پایهای وابسته نیست: عملگر خطی صرفاً نگاشتی خطی است که یک بردار را به عنوان آرگومان ورودی پذیرفته و بردار دیگری را تولید میکند. قانون تبدیل مربوط به نحوه تغییر یافتن ماتریس مؤلفههای یک عملگر خطی برحسب پایه، با قانون تبدیل مربوط به یک بردار پادوردا سازگاری دارد، چنانکه نمایش مختصاتی کنش عملگر خطی دلخواه بر روی یک بردار پادوردای دلخواه به صورت ضرب ماتریسی نمایشهای مختصاتی متناظر با هر کدام است؛ یعنی مؤلفههای
بنابراین قانون تبدیل برای تانسوری از مرتبه
در اینجا اندیسهای پریم (پرایم) دار، نشان دهنده مؤلفههای مختصات جدید اند و اندیسهای بدون پریم مؤلفههای مختصات قدیمی را نشان میدهند. به چنین تانسوری، تانسور از نوع
این بحث انگیزهای جهت تعریف صوری زیر ارائه مینماید:
تعریف: تانسوری از نوع
، آرایه چندبعدی به صورت زیر است:
به هر پایه
از یک فضای n-بعدی است چنانکه اگر تغییر پایه زیر را اعمال کنیم:
آنگاه آرایه چندبعدی از قانون تبدیل زیر تبعیت خواهد کرد:
تعریف تانسور به عنوان آرایه چندبعدی که در یک قانون تبدیل صدق میکند، به کارهای ریچی بر میگردد.
از نمایشهای گروه خطی عام جهت تعریف معادلی از تانسورها استفاده میگردد. در این تعریف، از کنش گروه خطی عام بر روی مجموعه تمام پایههای مرتب از یک فضای برداری n بعدی استفاده میشود. اگر
فرض کنید
که در آن
یادداشتها
ارجاعات
- ↑ Kline, Morris (March 1990). Mathematical Thought From Ancient to Modern Times: Volume 3. Oxford University Press, USA. ISBN 978-0-19-506137-6.
- ↑ Bi, Xuan; Tang, Xiwei; Yuan, Yubai; Zhang, Yanqing; Qu, Annie (2021). "Tensors in Statistics". Annual Review of Statistics and Its Application. 8 (1): annurev. Bibcode:2021AnRSA...842720B. doi:10.1146/annurev-statistics-042720-020816. Archived from the original on 30 اكتبر 2021. Retrieved 21 June 2021.
- ↑ Sharpe, R.W. (21 November 2000). Differential Geometry: Cartan's Generalization of Klein's Erlangen Program. Springer Science & Business Media. p. 194. ISBN 978-0-387-94732-7.
- ↑ Schouten, Jan Arnoldus (1954), "Chapter II", -9780486655826 Tensor analysis for physicists, Courier Corporation, ISBN 978-0-486-65582-6
- ↑ Kobayashi, Shoshichi; Nomizu, Katsumi (1996), Foundations of Differential Geometry, vol. Vol. 1 (New ed.), Wiley Interscience, ISBN 978-0-471-15733-5
منابع
عمومی
- Bishop, Richard L.; Samuel I. Goldberg (1980) [1968]. Tensor Analysis on Manifolds. Dover. ISBN 978-0-486-64039-6.
- Danielson, Donald A. (2003). Vectors and Tensors in Engineering and Physics (2/e ed.). Westview (Perseus). ISBN 978-0-8133-4080-7.
- Dimitrienko, Yuriy (2002). Tensor Analysis and Nonlinear Tensor Functions. Kluwer Academic Publishers (Springer). ISBN 978-1-4020-1015-6.
- Jeevanjee, Nadir (2011). An Introduction to Tensors and Group Theory for Physicists. Birkhauser. ISBN 978-0-8176-4714-8.
- Lawden, D. F. (2003). Introduction to Tensor Calculus, Relativity and Cosmology (3/e ed.). Dover. ISBN 978-0-486-42540-5.
- Lebedev, Leonid P.; Cloud, Michael J. (2003). Tensor Analysis. World Scientific. ISBN 978-981-238-360-0.
- Lovelock, David; Rund, Hanno (1989) [1975]. Tensors, Differential Forms, and Variational Principles. Dover. ISBN 978-0-486-65840-7.
- Munkres, James R. (7 July 1997). Analysis On Manifolds. Avalon Publishing. ISBN 978-0-8133-4548-2. Chapter six gives a "from scratch" introduction to covariant tensors.
- Ricci, Gregorio; Levi-Civita, Tullio (March 1900). "Méthodes de calcul différentiel absolu et leurs applications". Mathematische Annalen. 54 (1–2): 125–201. doi:10.1007/BF01454201. S2CID 120009332.
- Kay, David C (1988-04-01). Schaum's Outline of Tensor Calculus. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-033484-7.
- Schutz, Bernard F. (28 January 1980). Geometrical Methods of Mathematical Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-29887-2.
- Synge, John Lighton; Schild, Alfred (1969). Tensor Calculus. Courier Corporation. ISBN 978-0-486-63612-2.
- This article incorporates material from tensor on PlanetMath, which is licensed under the Creative Commons Attribution/Share-Alike License.