性质 1.1 ( 简单张量线性性质. 以三阶简单张量为例, 可有 : ξ (α η + βˆη ζ = αξ η ζ + βξ ˆη ζ T 3 (R m, α, β R. 证明对 u, v, w R m, 计算 ξ (α η + βˆη ζ(u, v, w = (ξ, u R m (α η + β

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1 1 知识要素 1.1 多重线性函数 张量定义及其代数运算 定义 1.1 ( 多重线性函数, 张量. 映照 满足对第 变量的线性性, 即 复旦大学力学与工程科学系 2015 年 4 月 2 日 Φ : R m R m {u 1,, u p } Φ(u 1,, u p R Φ(u 1,, αũ + βû,, u p = αφ(u 1,, ũ,, u p + βφ(u 1,, û,, u p R. 如果 Φ 满足对其所有变量的线性性, 则称 Φ 为 p 重线性函数, 或者称为 p 阶张量. 记 p 阶张量 的全体为 T p (R m, R m 为底空间. 定义 1.2 ( 张量线性空间. 可对 p 阶张量空间 T p (R m 引入线性结构 : 加法 (Φ + Ψ(u 1,, u p Φ(u 1,, u p + Ψ(u 1,, u p, Φ, Ψ T p (R m ; 数乘 (αφ(u 1,, u p αφ(u 1,, u p, α R. 由此, T p (R m 成为线性空间. 定义 1.3 ( 简单张量. 设有 ξ, η, ζ R m, 如下映照 : 称为简单张量. ξ η ζ : R m R m R m {u, v, w} ξ η ζ(u, v, w (ξ, u R m(η, v R m(ζ, w R m 张量分析讲稿 按内积的线性性, 易见函数 ξ η ζ 对其第二变量具有线性性 : ξ η ζ(u, αṽ + βˆv, w (ξ, u R m(η, αṽ + βˆv R m(ζ, w R m = αξ η ζ(u, ṽ, w + βξ η ζ(u, ˆv, w, α, β R. 类似可得, ξ η ζ 对其所有变量具有线性性, 亦即有 ξ η ζ T 3 (R m. 上述定义自然可推广至由有限个向量所构成的简单张量. 对于简单张量, 具有如下代数性质. 1

2 性质 1.1 ( 简单张量线性性质. 以三阶简单张量为例, 可有 : ξ (α η + βˆη ζ = αξ η ζ + βξ ˆη ζ T 3 (R m, α, β R. 证明对 u, v, w R m, 计算 ξ (α η + βˆη ζ(u, v, w = (ξ, u R m (α η + βˆη, v R m (ζ, w R m = α (ξ, u R m ( η, v R m (ζ, w R m + β (ξ, u R m (ˆη, v R m (ζ, w R m = αξ η ζ(u, v, w + βξ ˆη ζ(u, v, w = (αξ η ζ + βξ ˆη ζ(u, v, w. 易见, 对构成简单张量的各个向量都具有上述线性性. 1.2 对偶基与向量的表示 本节引入对偶基, 可说明有限维 Eucld 空间中的任意一个基唯一确定其对偶基. 由此, 任意 一个向量既可由原有的基表示, 亦可由其对偶基表示. 进一步, 由于原有的基确定其对偶基, 则一 个向量相对于原有的基及其对偶基的分量之间必然存在关联. 定理 1.2 ( 对偶基的存在唯一性. 设 {g } m 为 R m 空间的一组基, 则必然唯一存在另外一 组基 {g } m, 满足 : 用矩阵运算可以表示为 式中 I m 为 m 阶单位矩阵. gt1. g T m ( g, g R m = δ. (g 1 g m = I m R m m, 证明因为 {g } m 是 R m 空间的一组基, 所以有 det gt1. g T m ( = det g 1 g m 0. 张量分析讲稿 按线性代数的结论, 即有 (g 1 g m = gt1. 1 I m = gt1. 1 R m m, g T m g T m 即 {g } m 与其对偶基 {g } m 是一一对应的, 因此对偶基是存在且唯一存在的. 2

3 可称基 {g } m 为基 {g } m 的对偶基. 通常, 将指标为下标的基向量 g ( = 1,, m 称为协变基向量, {g } m 称为协变基 ; 将指标为上标的基向量 g ( = 1,, m 称为逆变基向量, {g } m 称为逆变基. 设有 ξ R m, 由于 {g } m 为 R m 中的协变基, 则有 ξ = ξ g, 式中 ξ 称为向量 ξ 的逆变分量. 上式两端对 g 做内积, 有 即有 ( ξ, g R m = ξ ( g, g = R m ξ = ( ξ, g R m. ξ δ = ξ, 为了表示上的简洁, 引入 Ensten 求和约定 (Ensten summaton conventon 略去求 和号, 用一上一下的重复指标表示求和 ➀. 在 Ensten 求和约定下, 上面的求和式可以表示为 ξ = ξ g = ξ g. 协变基 {g } m 的对偶基 {g } m 同样为 R m 空间的基, 因此也有 ξ = 式中 ξ 称为向量 ξ 的协变分量. 显然有 引入 则有协变基与逆变基的转换关系 张量分析讲稿 ξ g = ξ g, ξ = (ξ, g R m, g = (g, g R m, g = (g, g R m, g = g, g = g, g = (g, g R mg = g g, g = (g, g R mg = g g. 再考虑到基的对偶关系, 可得 δ = (g, g R m = (g p g p, g q g q R m = g p g p, 亦即, 矩阵 (g R m m 和 (g R m m 互逆. 同样向量的分量也遵循类似的转换关系 ξ = (ξ, g R m = (ξ, g g R m = g (ξ, g R m = g ξ, ξ = (ξ, g R m = (ξ, g g R m = g (ξ, g R m = g ξ. ➀ 另外本书约定, 如果一个式子中的重复指标超过 2 个, 则 Ensten 求和约定对这些指标失效. 3

4 上述协变基向量与逆变基向量 向量协变分量与逆变分量之间的转换关系可称为 指标升降游戏. 设有另外一组协变基 {g ( } m, 其对应的逆变基为 {g ( } m, g ( = C ( 设有 g, C ( 则有 = (g (, g R m, g ( = C ( g, C ( = (g (, g R m, 式中的 {C ( }m,=1 和 {C ( } m,=1 称为基转换系数. 考虑到 即有 δ = (g, g R m = (C (k g (k, C (s g(s R m = C (k C (k ( C (k = δ R 或者 C (k ( C (k 张量分析讲稿 C (s δ(s (k = C(k = I m R m m. C (k, 以上关系式表明, 基转换系数 {C ( }m,=1 和 {C ( } m,=1 之间仅有一组独立, 且两者之间为互逆关 系. 在新的基下, 任意向量 ξ 可以表示为 所以有坐标转换关系为 ξ = ξ g = ξ C ( g ( = ξ ( g (, ξ = ξ g = ξ C ( g( = ξ ( g (. ξ ( = C ( ξ, ξ ( = C ( ξ. 上述基之间的转换关系 向量相对于不同基的坐标之间的转换关系可称为 指标转换游戏. 1.3 张量的表示 基于张量对于其各个变元的线性性 向量的表示 简单张量的定义以及张量空间的线性结 构, 可以获得一般张量 Φ T p (R m 的表示形式 : 式中 u, = (u, g R m 记作 Φ(u 1,, u p = Φ(u 1,1 g 1,, u p,p g p = u 1,1 u p,p Φ(g 1,, g p = Φ(g 1,, g p (u 1,, u p = Φ 1 p [ (u 1,, u p ] = (Φ 1 p (u 1,, u p, 为向量 u 的第 个协变分量, Φ 1 p = Φ(g 1,, g p. 上式可简单地 Φ = Φ 1 p, 即任意张量可以表示为以其底空间的一组基组成的所有同阶简单张量之线性组合. 同理, 可获得 如下表达形式 : Φ = Φ 1 p g 1 g p, Φ 1 p = Φ(,, g p, Φ = Φ p g 2 g 3 g p, Φ p = Φ(g 1, g 2, g 3,, g p. 4

5 称 Φ 1 p 为张量的逆变分量 ( 所有指标为逆变指标, 仅有一个 ; 称 Φ 1 p 为张量的协变分量 ( 所有指标为协变指标, 仅有一个 ; 称 Φ p 等形式为张量的混合分量 ( 同时含有协变和逆变指标, 共有 2 p 2 个. 定义 1.4 ( 度量张量. 二阶张量 G T 2 (R m 具有形式 : 称 G 为度量张量. G = g g g = g g g = δ g g = δ g g, 在此定义中, 将 G 定义为其中一种形式便可推出其他形式, 如 G g g g, 可有 G = (g g g = g g = δ g g = g (g p g p (g q g q = (g g p g q g p g q = (δ p gq g p g q = g pq g p g q. 可见, 度量张量的两种混合分量都是 Kronecker 符号, 故度量张量实际也为单位仿射量 I δ g g, 故本书不单独定义或使用单位仿射量的称法. 按?? 节 ( 第?? 页 所述, 度量张量的分量实现了向量协变分量及逆变分量之间的指标升降游 戏. 对于张量的协变分量 逆变分量以及混合分量亦可通过度量张量分量实现指标升降. 例如 Φ p Φ(g 1, g 2, g 3,, g p = Φ(g 1p g p, g 2 qg q, g 3,, g p = g 1p g 2 qφ(g p, g q, g 3,, g p = g 1p g 2 qφ p q 3 p. 另一方面, 相对于不同基的张量分量之间仍成立指标转换游戏. 例如 Φ ( 基本代数运算 ( 2 ( 3 ( p Φ(g ( 1, g (2, g (3,, g (p = Φ(C ( 1 1 g 1, C 2 ( 2 g 2, C 3 ( 3 g 3,, C p ( g p p = C ( 1 = C ( 1 1 C 2 ( 2 C 3 1 C 2 ( 2 C 3 ( 3 Cp ( p Φ(g 1, g 2, g 3,, g p ( 3 C p ( p Φ p. 张量的基本代数运算, 包括张量积 / 张量并 e 点积 ( 特殊形式包括全点积, 并且这些代数 运算都可获得其整体表示. 张量分析讲稿 张量积 定义 1.5 ( 张量积. 对 Φ T p (R m, Ψ T q (R m, 可定义 : T p (R m T q (R m {Φ, Ψ} Φ Ψ T p+q (R m, 式中 (Φ Ψ(u 1,, u p, v 1,, v q Φ(u 1,, u p Ψ(v 1,, v q. 5

6 为说明 Φ Ψ T p+q (R m, 可按定义计算 (Φ Ψ(u 1,, αũ + βû,, u p, v 1,, v q Φ(u 1,, αũ + βû,, u p Ψ(v 1,, v q = αφ(u 1,, ũ,, u p Ψ(v 1,, v q + βφ(u 1,, û,, u p Ψ(v 1,, v q = α(φ Ψ(u 1,, ũ,, u p, v 1,, v q + β(φ Ψ(u 1,, û,, u p, v 1,, v q. 上述过程表明 Φ Ψ 对第 个变元 (1 p 具有线性性. 同理对 1 q 也可有 故有 Φ Ψ T p+q (R m. (Φ Ψ(u 1,, u p, v 1, αṽ + βˆv,,, v q = α(φ Ψ(u 1,, u p, v 1,, ṽ,, v q + β(φ Ψ(u 1,, u p, v 1,, ˆv,, v q. 性质 1.3 ( 张量积性质. 张量积具有如下基本性质 : 1. 对 Φ, Ψ T p (R m ; Θ T q (R m, 2. 对 Φ T p (R m ; Ψ, Θ T q (R m, (αφ + βψ Θ = αφ Θ + βψ Θ T p+q (R m ; Φ (αψ + βθ = αφ Ψ + βφ Θ T p+q (R m ; 3. 对 Φ T p (R m, Ψ T q (R m, Θ T r (R m, (Φ Ψ Θ = Φ (Ψ Θ =: Φ Ψ Θ T p+q+r (R m. 证明基于张量的定义, 易于证明张量积的基本性质. 1. 对 u 1,, u p ; v 1,, v q R m, 可有 张量分析讲稿 (αφ + βψ Θ(u 1,, u p, v 1,, v q (αφ + βψ(u 1,, u p Θ(v 1,, v q = [αφ(u 1,, u p + βψ(u 1,, u p ] Θ(v 1,, v q = αφ Θ(u 1,, u p, v 1,, v q + βψ Θ(u 1,, u p, v 1,, v q = (αφ Θ + βψ Θ (u 1,, u p, v 1,, v q. 2. 此性质亦可用类似 (1 中方法证明. 6

7 3. 首先对 u 1,, u p ; v 1,, v q ; w 1,, w r R m, 有 同理可有 张量的 e 点积 式中 (Φ Ψ Θ(u 1,, u p, v 1,, v q, w 1,, w r = [Φ Ψ(u 1,, u p, v 1,, v q ] Θ(w 1,, w r = Φ(u 1,, u p Ψ(v 1,, v q Θ(w 1,, w r. Φ (Ψ Θ(u 1,, u p, v 1,, v q, w 1,, w r = Φ(u 1,, u p Ψ(v 1,, v q Θ(w 1,, w r. 定义 1.6 ( 张量的 e 点积. 对 Φ T p (R m, Ψ T q (R m, 且 e mn{p, q}, 可定义 ( ( : T e p (R m T q (R m {Φ, Ψ} Φ Ψ T e p+q 2e (R m, ( Φ Ψ(u 1,, u p e, v e+1,, v q e Φ(u 1,, u p e, g s1,, g se Ψ(g s 1,, g se, v e+1,, v q. 特别地, e = 1 时称为张量的 点积, 记作 Φ Ψ; e = 2 时称为张量的 二点积, 记作 Φ : Ψ. 性质 1.4 ( 张量的 e 点积的表示. 对 Φ T p (R m, Ψ T q (R m, 它们的 e 点积 (e mn{p, q}, 可有表达形式 : ( Φ Ψ = Φ e 1 p e s1 s e Ψ s 1 s ee+1 q g q = Φ 1 p e s 1 s e Ψ s1 s e e+1 q g q T p+q 2e (R m. 证明设 Φ = Φ 1 p, Ψ = Ψ 1 q g 1 g q, 则 ( Φ Ψ(u 1,, u p e, v e+1,, v q e = Φ(u 1,, u p e, g s1,, g se Ψ(g s 1,, g se, v e+1,, v q = Φ(u 1,1 g 1,, u p e,p e g p e, g s1,, g se Ψ(g s 1,, g s e, v e+1 e+1 g e+1,, vq q g q = u 1,1 u p e,p e v e+1 e+1 v q q Φ(g 1,, g p e, g s1,, g se Ψ(g s 1,, g se, g e+1,, g q 张量分析讲稿 所以有 = Φ 1 p e s1 s e Ψ s 1 s e e+1 q g q (u 1,, u p e, v e+1,, v q. ( Φ Ψ = Φ e 1 p e s1 s e Ψ s 1 s ee+1 q g q = g t1 s 1 g te s e Φ 1 p e t 1 t e Ψ s 1 s e e+1 q g q = Φ 1 p e t 1 t e (g t1 s 1 g te s e Ψ s 1 s ee+1 q g q = Φ 1 p e t 1 t e Ψ t1 t e e+1 q g q. 7

8 可见,e 点积即为指标哑标化. 特别地, 对任意两个 p 阶张量, 可以定义 p 点积, 称为张量的全点积. 定义 1.7 ( 全点积. 对 Φ, Ψ T p (R m, 定义 ( Φ Ψ Φ Ψ = Φ p s 1 s p Ψ s1 s p = Φ s1 s p Ψ s 1 s p R, 称为全点积. 2 应用事例 3 建立路径 基于多重线性函数定义张量 ; 通过简单张量获得张量的表示. 按多重线性函数的性质易于获得张量分量指标的升降关系以及相对于不同基的张量分量之 间的转换关系. 张量分析讲稿 8

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<4D F736F F D20B5DACAAED5C220CBABCFDFD0D4BAAFCAFDA3A8BDB2D2E5A3A92E646F63> 高等代数第十章双线性函数 第十章双线性函数 10.1 线性函数 1. 设 V 是数域 F 上的一个线性空间, f 是 V 到 F 的一个映射, 若 f 满足 : (1) f( α + β) = f( α) + f( β); (2) f( kα) = kf( α), 式中 α, β 是 V 中任意元素, k 是 F 中任意数, 则称 f 为 V 上的一个线性函数. 2. 简单性质 : 设 f 是 V

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试卷 竞赛试卷 ( 数学专业 参考答案 一 (5 分 在仿射坐标系中 求过点 M ( 与平面 :3x y + z 平行 且与 x y 3 z 直线 l : 相交的直线 l 的方程 4 解法一 : 先求 l 的一个方向向量 X Y Z 因为 l 过点 M 且 l 与 l 相交 所以有 4 X 3 - Y ( Z..4 分 即 X + Y Z...3 分 又因为 l 与 平行 所以有 联立上述两个方程解得 :

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微分流形上积分学 流形上 Stokes 公式 复旦力学 谢锡麟 1 知识要素 1.1 单位 1 分解 2016 年 4 月 21 日 引理 1.1. 设 U, V R m 为开集, 且 V U, 则 ϕ(x) Cc (R m ), 满足 : supp ϕ(x) U, ϕ(x) 1, x V, ϕ(x 复旦力学 知识要素. 单位 分解 206 年 4 月 2 日 引理.. 设 U, V R m 为开集, 且 V U, 则 ϕx Cc R m, 满足 : supp ϕx U, ϕx, x V, ϕx [0, ], x R m. 如图 所示. X m O εε X α V 2ε X V U V ε O y 图 : 单位 分解示意证明由于 V U, 则有 dv, U : δ > 0, 故可作 X m X

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