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到底什么是张量

张量

张量英文名为:tensor。

了解tensor,首先需要先了解vector---向量。

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Tensor---vector

  在上学的时候,学过向量(vector),书本上告诉我们vector是一个表示一个magnitude和direction的物理量。

    以往对物体做力学分析的时候,会绘制力的图示,例如会绘制重力、电磁力、速度等相关的物理量,用箭头表示,这个箭头的长度就是magnitude,箭头的指向就是这个力的direction。

   高中的的时候,人们也学过法向量;从这里,又可以引申一个概念,向量可以用来表示一个平面。这个向量表示的就是垂直于这个平面的方向(法线方向)。

 

   Vector看起来很厉害,既可以表示力、速度,由可以表示平面,但是仔细观看,发现vector也只有两个要素而已:magnitude和direction。在实际中,很多物理量是无法简单的通过vector表示的,它只是一个广泛表示方法的特例而已。面对这些vector无法表示的物理量,这个时候tensor的优势就出来了。

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tensor---components和basis vector

Components即分量,basis vector 即基向量。

     在我们日常熟悉的笛卡尔坐标体系中----cartesian coordinate system,存在基向量,在坐标系中用magnitude为’1’表示,这也是个基础单位;其direction就是坐标系的坐标方向。这个时候,可以发现坐标系中由三个basis vector,,分别沿着坐标系的x,y,z方向。

 

弄清楚了basis vector后,就可以进一步学习components了。

如下图,向量a由4个x basis vector和3个y basis vector向量以及0个z basis vector组成。

 

去掉图中的a箭头,可以用x basis vector、y basis vector、z basis vector来表示向量a的信息。

如果大家都默认一套basis vector,那么basis vector也就可以不绘出来了,我们可以用4、3、0这三个数字来表示向量a的信息。

其中4、3、0就是这个向量a的的components--分量。

这时候,表达一个vector,只需要给定三个components即可,不管他们怎么排列都行,横着、立着.......

把它立起来,加个括号是不是就变得很熟悉了?

 

不错,这就是书本上常见的向量的列表示.......

为了更好的表示向量A,我们可以用Ax=4,Ay=3,Az=0来表示。Ax, Ay, Az分别对应向量A在x,y,z的basis vector上的components。

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tensor---高阶

   我们可以看到Ax, Ay, Az都只有一个下标,也就是在x、y、z方向上的componens只由一个basis vector构成(one basis vector per component)。

    于是,我们可以发现向量也称为1阶张量(Tensors of rank 1)相对于的标量scalar只有大小没有方向,所以也称为0阶张量(Tensors of rank 0

那么什么是二阶或者更高阶张量呢?

如下图:三维空间下的2阶张量。

 

    此处由9个basis vector(或者说9个basis vector组合,此时已经由之前的三个变成了3个,32)与9个components。其中每9个basis vector组合又有两个basis vector。这时候每个components有两个下标了-----Axy

   想象一下,一个物体的受力情况。

    定位该物体需要引入一个平面,这个平面需要一个向量表示,所以需要引入1组(3个)基向量;在每个平面上又有一个力,这个力则需要用第二个向量来表示,这样对于第一组中每个基向量又引入了第2组(3个)基向量与之组合。

于是就有了桌子上的那3*3个基向量组合。

如果想要表示所有的平面与平面上的力的组合,需要9个分量,每个分量有2个下标(index)来表示该分量由哪两个基向量组合构成。

例:Axx表示在法线为x方向的平面上的方向为x方向的力。

这9个分量与9个基向量共同组成了2阶张量。

继续进一步,这是一个3维空间中的3阶张量。

这个张量有27个基向量与27个分量。

现在每个分量有3个下标,所有的下标组合共有3*3*3=27个,故共有27组基向量,不同基向量对应一个分量。

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tensor---进一步理解

 

5

tensor---趣味数学

有这么个段子:

互联网思维+思维:1元*1元 = 10角*10角=100分*100分=10000分=100元

反驳:

1元=100分

本质上是以1元和1分作为两组基的情况下,基的变换和坐标的变换是互逆的,一元是一分的100倍,所以用分标价的金额(坐标读数)就是用元标价的100倍,这叫逆变。

二阶张量可以同时对二个金额向量进行变换。二个金额相乘的结果是按照元角分的相乘来标价的,也就是

1元元=10000分分

这样,两金额向量的乘法也满足逆变规律。

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