Кіріспе

Математикалық кеңістікте үздіксіз өзгеретін тензорды тағайындау. Математика мен физикада тензорлық өріс математикалық кеңістіктің (әдетте Евклид кеңістігі немесе манифольд) әрбір нүктесіне тензорды бекітеді. Тензорлық өрістер дифференциалдық геометрияда, алгебралық геометрияда, жалпы салыстырмалылық теориясында, материалдардағы кернеу мен деформацияны талдауда және физикалық ғылымдардағы көптеген қолданыстарда қолданылады. Тензор – скалярдың (мәнді көрсететін таза сан, мысалы, жылдамдық) және вектордың (бағыты бар таза сан, мысалы, жылдамдық) жалпылама түрі болғандықтан, тензорлық өріс – скалярлық өріс немесе векторлық өрістің жалпылама түрі болып табылады, ол сәйкесінше кеңістіктің әрбір нүктесіне скалярды немесе векторды тағайындайды. Егер тензор A, M модуліндегі X(M) векторлық өрістер жиынында анықталған болса, онда A-ны M-дегі тензорлық өріс деп атаймыз. "Тензорлар" деп аталатын көптеген математикалық құрылымдар да тензорлық өрістер болып табылады. Мысалы, Риман қисықтық тензоры – тензорлық өріс, себебі ол топологиялық кеңістік болып табылатын Риман манифольдінің әрбір нүктесіне тензорды байланыстырады.

Анықтама

M көптік болсын, мысалы, Евклид кеңістігі Rn. Балама ретінде, бұл барлық x ∈ M нүктелері үшін Tx ∈ Vx⊗p ⊗ (Vx*)⊗q элементтерінің жиынтығы болып табылады, олар тегіс бейнелеу T: M → V⊗p ⊗ (V*)⊗q түрінде ұйымдастырылған. Tx элементтері тензорлар деп аталады. Көбінесе V = TM M-нің жанама шоғыры болып алынады.

Геометриялық кіріспе

Интуитивті түрде, векторлық өріс – аймақтың әр нүктесіне бекітілген, өзгермелі ұзындығы және бағыты бар "жебе" ретінде ең жақсы көрінеді. Иілген кеңістікте векторлық өрістің бір мысалы – Жер бетінің әр нүктесіндегі көлденең жел жылдамдығын көрсететін ауа райы картасы. Енді күрделірек өрістерді қарастырайық. Мысалы, егер көпқырлылық Римандық болса, онда оның метрикалық өрісі болады, яғни кез келген екі вектор үшін нүктеде олардың ішкі көбейтіндісі болады. Өріс матрица түрінде берілуі мүмкін, бірақ ол координаттар таңдауына байланысты. Оның орнына, ол әр нүктеде радиусы 1-ге тең эллипсоид ретінде берілуі мүмкін, бұл координаттарға тәуелді емес. Жер бетіне қолданғанда, бұл Тиссоның индикатрисі болып табылады. Жалпы, тензорлық өрістерді координаттарға тәуелсіз түрде анықтағымыз келеді: ол ендік және бойлықтан немесе сандық координаттарды енгізу үшін қолданылатын кез келген "картографиялық проекциядан" тәуелсіз болуы керек.

Қолданбалар

Бұрылу тензоры дифференциалдық геометрияда қарастырылады, ал стресс-энергия тензоры физикада маңызды, және бұл екі тензор Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы арқылы байланыстырылған. Электромагнетизмде электр және магнит өрістері электромагниттік тензорлық өріс ретінде біріктіріледі. Манифольдтарда интегралдауды анықтауда қолданылатын дифференциалдық формалар – тензорлық өрістің бір түрі екенін атап өту керек.

Тензорлық есептеу

Теориялық физикада және басқа да салаларда тензорлық өрістер арқылы қойылған дифференциалдық теңдеулер геометриялық сипаттағы (тензорлық табиғатымен қамтамасыз етілген) және дәстүрлі дифференциалдық есептеумен байланысты қатынастарды өрнектеудің өте жалпы жолын ұсынады. Мұндай теңдеулерді құрастырудың өзі жаңа ұғымды қажет етеді – ковариантты туынды. Ол векторлық өріс бойымен тензорлық өрістің өзгеруін сипаттайды. Алғашқы абсолютті дифференциалдық есептеу ұғымы, кейіннен тензорлық есептеу деп аталған, геометриялық байланыс тұжырымдамасын бөліп шығаруға әкелді.

Сызықпен бұрау

Тензорлық өріс идеясының кеңейтімі M-де қосымша L сызық бумасын қамтиды. Егер W – V пен L-дің тензорлық көбейтіндісі болса, онда W – V-мен бірдей өлшемді векторлық кеңістіктердің бумасы. Бұл тензорлық тығыздық, "бұрмаланған" типті тензорлық өріс ұғымын анықтауға мүмкіндік береді. Тензорлық тығыздық – бұл L көптіктегі тығыздықтардың бумасы, атап айтқанда котангенттік буманың детерминантты бумасы. (Қатаң айтқанда, абсолютті мәнді ауысу функцияларына да қолдану керек – бұл бағытталған коллектор үшін көп айырмашылық тудырмайды.) Дәстүрлі түсіндірме үшін тензорлық тығыздық мақаласын қараңыз. Тығыздықтар бумасының бір ерекшелігі (қайтадан бағдарлануды болжай отырып) L, s-тің нақты сандық мәндері үшін жақсы анықталған; бұл тек оң нақты мәндерді қабылдайтын ауысу функцияларынан көруге болады. Бұл мысалы, s = ½-ге тең жарты тығыздық алуға болады дегенді білдіреді. Жалпы алғанда, біз W кесінділерін, V пен Ls-тің тензорлық көбейтіндісін аламыз және s салмақты тензорлық тығыздық өрістерін қарастырамыз. Жарты тығыздықтар көптіктердегі интегралды операторларды анықтау және геометриялық кванттау сияқты салаларда қолданылады.

Пәтерлік корпус

M – Евклид кеңістігі болса және барлық өрістер M векторларының жылжулары бойынша өзгермейтін болып есептелсе, тензор өрісі "бастапқы нүктеде орналасқан" тензормен мағынасы бірдей болатын жағдайға ораламыз. Бұл аса зиянды емес және көбінесе қолданылады. Бірақ тензорлық тығыздықтарға қатысты маңызды айырмашылық бар. Тығыздықтар жиыны "бір нүктеде" анықталмайды; сондықтан, тензорларды қазіргі математикалық қарастырудың кемшілігі – тензорлық тығыздықтарды тікелей емес, айналып келген жолмен анықтау болып табылады.

Коциклдер мен тізбек ережелері

Тензорлық тұжырымдаманы кеңейтіп түсіндіру ретінде, көп айнымалы жағдайдағы тізбек ережесін, координаттарды өзгертуге қолданғанда, тензорлық өрістерді тудыратын тензордың өзіне қатысты талап ретінде қарастыруға болады. Абстрактілі түрде, тізбек ережесін 1-коцикл деп анықтауға болады. Ол тангенциалдық бундельді ішкі тұрғыдан анықтауға қажетті үйлесімділікті қамтамасыз етеді. Тензорлардың басқа векторлық бундельдері де салыстыратын коциклдерге ие, олар тізбек ережесіне тензорлық құралымдардың функционалдық қасиеттерін қолдану арқылы пайда болады; осы себепті олар да ішкі (яғни, "табиғи") ұғымдар болып табылады. Тензорларға қатысты әдетте айтылатын "классикалық" тәсіл осыны кері оқуға тырысады – демек, ол нағыз іргелі емес, эвристикалық, пост-фактум тәсіл. Координаттарды өзгерту кезінде тензорлардың қалай өзгеретінін анықтауда коцикл көрсететін өзіне сәйкестік жатыр. Тензорлық тығыздықтарды құру – коцикл деңгейіндегі "бұрылу" болып табылады. Геометрлер тензорлық шамалардың геометриялық табиғатында күмәнданбайды; осы типтегі аргументтің нәтижесінде бүкіл теория абстрактілі түрде негізделеді.

Тензорлық тығыздықтар

Тензорлық өріс ұғымын әртүрлі түрленетін нысандарды қарастыру арқылы жалпылауға болады. Координаталық түрлендірулер кезінде обыкновенный тензорлық өріс сияқты түрленетін объект, бірақ кері координаталық түрлендірудің Якобианының w-шы дәрежесіне де көбейтілсе, онда ол w салмағы бар тензорлық тығыздық деп аталады. Көпсызықтық алгебра тілінде тензорлық тығыздықтарды көпсызықтық бейнелеулер ретінде қарастыруға болады, олардың мәндері тек R-де емес, n формаларының (1 өлшемді) кеңістігіндегі (мұнда n – кеңістіктің өлшемі) тығыздық шоғырында орналасады. Жоғары "салмақтар" тек осы диапазон бойынша қосымша тензорлық көбейтінділерге сәйкес келеді. Скалярлық тығыздықтар ерекше жағдай болып табылады. Скалярлық 1 тығыздықтар ерекше маңызды, себебі олардың интегралын көптеуіште анықтауға болады. Мысалы, олар жалпы салыстырмалылық теориясындағы Эйнштейн-Гильберт әрекетінде кездеседі. Скалярлық 1 тығыздықтың ең көп таралған мысалы – көлем элементі, ол метрикалық тензор g болғанда координаталардағы оның детерминантының квадрат түбіріне тең болады, және белгіленеді. Метрикалық тензор – 2-ретті ковариантты тензор, сондықтан оның детерминанты координаталық өтудің квадратына пропорционалды: бұл +2 салмағы бар скалярлық тығыздықтың түрлену заңы. Жалпы алғанда, кез келген тензорлық тығыздық – тиісті салмағы бар скалярлық тығыздыққа көбейтілген обыкновенный тензор болып табылады. Векторлық шоғырлар тілінде, жанама шоғырдың детерминанттық шоғыры – басқа шоғырларды w рет "бұруға" қолданылатын түзу шоғыр. Жергілікті жағдайда, осы тензорларды тану үшін жалпы түрлену заңын қолдануға болады, бірақ түрлену заңында Якобианның детерминантын немесе оның абсолюттік мәнін жазуға болатындығын көрсететін жаһандық сұрақ туындайды. Тығыздықтар шоғырының (оң) өту функцияларының бүтін емес дәрежелері мағыналы, сондықтан осы мағынада тығыздықтың салмағы бүтін мәндермен шектелмейді. Оң Якобиан детерминантымен координаталардың өзгеруіне шектеу ориентацияланған көптеуіште мүмкін, себебі минус белгілерін жоюдың тұрақты жаһандық тәсілі бар; бірақ басқа жағдайда тығыздықтардың түзу шоғыры мен n формалардың түзу шоғыры ерекше болып табылады. Ішкі мағынасы туралы толық ақпарат алу үшін, көптеуіштегі тығыздыққа қараңыз.