تنسور

(تغییرمسیر از تانسور)

در ریاضیات، تنسور[الف] (Tensor) شیئی جبری است که رابطه چندخطی بین مجموعه‌ها و اشیاء جبری مربوط به یک فضای برداری را توصیف می‌نماید. اشیائی که تنسورها آن‌ها را به یکدیگر می‌نگارند شامل اسکالرها، بردارها و حتی خود تنسورها می‌شوند. انواع زیادی از تنسورها شامل این موارد وجود دارند: اسکالرها، بردارها (که جزو ساده‌ترین تنسورها می‌باشند)، بردارهای دوگان، نگاشت‌های چندخطی بین فضاهای برداری و حتی عملیاتی چون ضرب داخلی. تنسورها مستقل از هر پایه‌ای تعریف می‌شوند، گرچه که اغلب، مؤلفه‌های آن‌ها را برحسب پایهٔ مربوط به یک دستگاه مختصاتی به‌خصوصی نمایش می‌دهند.

تنسور تنش کوشی مرتبه دوم ()، نیروهای تنشی را توصیف می‌کند که توسط ماده‌ای در یک نقطه دلخواه تجربه می‌گردد. ضرب از یک تنسور تنش و یک بردار یکانی (با طول یک) که در جهت دلخواهی قرار دارد، برداری را ایجاد می‌کند که توصیف کننده نیروهای تنشی است. این تصویر، بردارهای تنش را در طول سه جهت متعامد نشان می‌دهد که هر کدام توسط وجهی از یک مکعب نمایش داده شده‌اند. از آنجایی که تنسور تنشی نگاشتی را توصیف می‌کند که یک بردار را به یک بردار می‌برد (ورودی یک بردار و خروجی نیز بردار است)، لذا تنسور مرتبه دومی خواهد بود.

تنسورها 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 (تنسور الکترومغناطیسی، تنسور ماکسول، گذردهی، پذیرفتاری مغناطیسی، ...)، نسبیت عام (تنسور تنش-انرژی، تنسور انحنا، ...) و سایر زمینه‌ها. در مواردی از کاربردهای تنسور، ممکن است نیاز باشد که تنسور یک نقطه از یک شیء با تنسورهای تعریف شده از نقاط دیگر همان شیء متفاوت باشند، چنین مواردی ما را به سوی مفهوم میدان تنسوری می‌کشاند. در برخی از زمینه‌ها، میدان‌های تنسوری چنان رایج اند که از آن‌ها صرفاً به «تنسور» یاد می‌شود.

تولیو لوی-چیویتا و گرگریو ریچی-کورباسترو تنسورها 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 تنسور انحنای ریمانی را فراهم ساخت.[۱]

تعریفویرایش

گرچه که تعاریف مختلف تنسورها 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، تنسورها برای کاربردهای یادگیری ماشین نیز تعریف شده و مورد بحث قرار می‌گیرند.[۲]

به عنوان آرایه‌های چندبعدیویرایش

تنسور 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 تنسور 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   نمایش داده می‌شود. درایه‌های این آرایه چندبعدی را مؤلفه‌های اسکالر تنسور نامیده یا صرفاً به آن‌ها مؤلفه‌ها می‌گویند. به کمک اندیس‌ها، موقعیت این درایه‌ها را در آرایه با کمک بالانویس‌ها و پایین نویس‌ها در کنار نماد تنسور مشخص می‌کنند. به عنوان مثال، مؤلفه‌های تنسور مرتبه ۲ را می‌توان به صورت   که در آن   و   اندیس‌هایی اند که مقادیرشان را از ۱ تا n انتخاب می‌کنند. همچنین ممکن است تنسور مرتبه دو به صورت   باشد. بالانویس یا پایین‌نویس بودن اندیس‌های تنسور بستگی به خواص تبدیل تنسور داشته که در ادامه توضیح داده خواهد شد. ازین رو در حالی که هردوی   و   را می‌توان به صورت ماتریس‌های n در n بیان نمود، هردوی آن‌ها از طریق عمل بالا و پایین پریدن اندیس‌ها (index juggling) به یکدیگر تبدیل نمود. از آنجا که خواص تبدیلی این دو نوع تنسور از یکدیگر متفاوت اند، نمی‌توان آن‌ها را به طریق مناسب با یکدیگر جمع نمود. تعداد کل اندیس‌های لازم جهت تعیین هر مؤلفه تنسور به‌طور یکتا، برابر بعد آرایه بوده و به آن مرتبه، درجه یا رتبه تنسور گویند. با این حال اصطلاح «رتبه» معنای دیگری در متون مربوط به ماتریس‌ها و تنسورها دارد.

درست همانگونه که مؤلفه‌های بردار هنگام تغییر پایهٔ فضای برداری عوض می‌شوند، مؤلفه‌های یک تنسور نیز تحت چنین تبدیلاتی عوض می‌شوند. هر نوع تنسور 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   را می‌توان برحسب پایه‌های قدیمی   به این صورت بیان نمود:

 

در اینجا   درایه‌های ماتریس تغییر پایه اند و در راست‌ترین قسمت معادله، علامت جمع سیگما به دلیل استفاده از قرارداد جمع اینشتین برداشته شده‌است. در سرتاسر این مقاله از قرارداد اینشتین استفاده خواهد شد.[ب] مؤلفه‌های   از یک بردار ستونی چون  ، تحت معکوس ماتریس   تبدیل می‌شود:

 

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   از هم-بردار ستری چون   نیز توسط خود ماتریس   تبدیل می‌شوند:

 

به این تبدیل، قانون تبدیل هموردا گفته می‌شود، چرا که مؤلفه‌های هموردا براساس همان ماتریس تغییر پایه تبدیل می‌گردند. مؤلفه‌های تبدیلات تنسوری 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   است که تحت ماتریس تغییر پایه   به صورت   تبدیل می‌شود. برای درایه‌های منفرد ماتریس، این قانون تبدیل به این صورت است:  ، چنان‌که تنسور متناظر با یک ماتریس عملگر خطی، دارای یک اندیس هموردا و یک اندیس پادوردا، یعنی از نوع   می‌باشد.

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   دلتای کرونکر است که مشابه با ماتریس همانی عمل کرده و اثرش تغییر نام اندیس‌ها است (در این مثال تبدیل   به  ). این مثال ویژگی‌های مختلف نمادگذاری مؤلفه‌ها را نشان می‌دهد: توانایی بازآرایی جملات (جابه‌جایی)، نیاز به استفاده از اندیس‌های متفاوت هنگام کار با اشیاء مختلف در یک عبارت، توانایی تغییر نام اندیس‌ها و طریقی که تنسورهای هموردا و پادوردا با هم ترکیب می‌شوند، به گونه‌ای که تمام نمونه‌های ماتریس تبدیل و معکوس‌هایشان همدیگر را خنثی کرده به گونه‌ای که می‌توان به‌طور آنی دید که عباراتی چون   از نظر هندسی در تمام دستگاه‌های مختصاتی یکسان اند.

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   به صورت   می‌باشند. این مؤلفه‌ها به صورت پادوردا تبدیل می‌یابند، چون:

 

بنابراین قانون تبدیل برای تنسوری از مرتبه   که دارای   اندیس پادوردا و   اندیس هموردا است به این صورت داده می‌شود:

     

در اینجا اندیس‌های پریم (پرایم) دار، نشان دهنده مؤلفه‌های مختصات جدید اند و اندیس‌های بدون پریم مؤلفه‌های مختصات قدیمی را نشان می‌دهند. به چنین تنسوری، تنسور از نوع   گفته می‌شود. اصطلاحات «مرتبه»، «نوع»، «والانس» و «درجه» را برخی مواقع جهت اشاره به یک مفهوم به کار می‌برند. در اینجا اصطلاح «مرتبه» یا «مرتبه کل» را جهت اشاره به بعد کلی آرایه (یا تعمیمش در سایر تعاریف) به کار می‌برند.   در مثال اخیر و به کار بردن اصطلاح «نوع» برای آن زوج مرتب، تعداد اندیس‌های هموردا و پادوردا را مشخص می‌کنند. تنسوری از نوع   را به اختصار  -تنسور می‌نامندم.

این بحث انگیزه‌ای جهت تعریف صوری زیر ارائه می‌نماید:[۳][۴]

تعریف: تنسوری 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 تنسور به عنوان آرایه چندبعدی که در یک قانون تبدیل صدق می‌کند، به کارهای ریچی بر می‌گردد.[۱]

از نمایش‌های گروه خطی عام جهت تعریف معادلی از تنسورها 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   پایه مرتب و   ماتریس   معکوس‌پذیری باشد، آنگاه این کنش به صورت زیر خواهد بود:

 

فرض کنید   مجموعه تمام پایه‌های مرتب باشد. آنگاه   فضای همگن اصلی برای   خواهد بود. فرض کنید   یک فضای برداری و   نمایشی از   روی   باشد (یعنی همریختی گروهی  ). آنگاه تنسوری از نوع   نگاشت یکسان‌وردای (equivariant) ‏  خواهد بود. در اینجا یکسان‌وردا بودن (equivariance) به معنای این است که داریم:

 

که در آن   نمایش تنسوری از گروه خطی عام است. این تعریف منجر به همان تعریف رایجِ تنسورها به عنوان آرایه‌های چندبعدی می‌گردد. از این تعریف اغلب جهت توصیف تنسورهای روی منیفلدها استفاده شده[۵] و به راحتی برای سایر گروه‌ها نیز تعمیم پیدا می‌کند.[۳]

یادداشت‌هاویرایش

  1. در منابع فارسی به صورت «تانسور» هم رواج دارد
  2. قرارداد اینشتین به اجمال جمع را برروی تمام مقادیر اندیس از جملاتی که همزمان بالانویس و پایین‌نویس آن اندیس را داشته باشند اعمال می‌کند. به عنوان مثال تحت این قرارداد داریم:  

ارجاعاتویرایش

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ Kline, Morris (March 1990). Mathematical Thought From Ancient to Modern Times: Volume 3. Oxford University Press, USA. ISBN 978-0-19-506137-6.
  2. 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.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ 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.
  4. Schouten, Jan Arnoldus (1954), "Chapter II", -9780486655826 Tensor analysis for physicists Check |url= value (help), Courier Corporation, ISBN 978-0-486-65582-6
  5. Kobayashi, Shoshichi; Nomizu, Katsumi (1996), Foundations of Differential Geometry, Vol. 1 (New ed.), Wiley Interscience, ISBN 978-0-471-15733-5

منابعویرایش

عمومیویرایش