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Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig Weitere Bedeutungen sind unter Tensor Begriffsklarung aufgefuhrt Ein Tensor ist eine multilineare Abbildung die eine bestimmte Anzahl von Vektoren auf einen Vektor abbildet und eine universelle Eigenschaft erfullt 1 Er ist ein mathematisches Objekt aus der linearen Algebra das in vielen Bereichen so auch in der Differentialgeometrie Anwendung findet und den Begriff der linearen Abbildung erweitert Der Begriff wurde ursprunglich in der Physik eingefuhrt und erst spater mathematisch prazisiert In der Differentialgeometrie und den physikalischen Disziplinen werden meist keine Tensoren im Sinn der linearen Algebra betrachtet sondern es werden Tensorfelder behandelt die oft vereinfachend ebenfalls als Tensoren bezeichnet werden Ein Tensorfeld ist eine Abbildung die jedem Punkt des Raums einen Tensor zuordnet Viele physikalische Feldtheorien handeln von Tensorfeldern Das prominenteste Beispiel ist die allgemeine Relativitatstheorie Das mathematische Teilgebiet das sich mit der Untersuchung von Tensorfeldern befasst heisst Tensoranalysis und ist ein wichtiges Werkzeug in den physikalischen und ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen Inhaltsverzeichnis 1 Begriffsgeschichte 2 Arten von Tensoren 3 Ko und Kontravarianz von Vektoren 4 Definition 4 1 r s Tensorraum 4 2 Ausseres Tensorprodukt 5 Beispiele von r s Tensoren 6 Basis 6 1 Basis und Dimension 6 2 Basiswechsel und Koordinatentransformation 6 3 Beispiel 7 Operationen auf Tensoren 7 1 Inneres Produkt 7 2 Tensorverjungung 7 3 Pull Back Rucktransport 7 4 Push Forward 8 Tensoralgebra 9 Tensorproduktraum 9 1 Die universelle Eigenschaft fur das Tensorprodukt zweier Faktoren 9 2 Tensor als Element des Tensorproduktes 9 3 Erweiterung auf mehrere Faktoren Universelle Eigenschaft fur mehrfache Tensorprodukte und Multilinearformen 9 4 Invarianten von Tensoren 1 und 2 Stufe 9 5 Tensorprodukte eines Vektorraums und Symmetrie 9 6 Injektives und projektives Tensorprodukt 10 Tensoranalysis 11 Siehe auch 12 Literatur 13 Weblinks 14 EinzelnachweiseBegriffsgeschichte Bearbeiten nbsp Ricci CurbastroDas Wort Tensor abgeleitet vom Partizip Perfekt von lateinisch tendere spannen wurde in den 1840er Jahren von William Rowan Hamilton in die Mathematik eingefuhrt er bezeichnete damit den Absolutbetrag seiner Quaternionen also keinen Tensor im modernen Sinn James Clerk Maxwell scheint den Spannungstensor den er aus der Elastizitatstheorie in die Elektrodynamik ubertrug selbst noch nicht so genannt zu haben In seiner modernen Bedeutung als Verallgemeinerung von Skalar Vektor Matrix wird das Wort Tensor erstmals von Woldemar Voigt in seinem Buch Die fundamentalen physikalischen Eigenschaften der Krystalle in elementarer Darstellung Leipzig 1898 eingefuhrt 2 Unter dem Titel absolute Differentialgeometrie entwickelten Gregorio Ricci Curbastro und dessen Schuler Tullio Levi Civita um 1890 die Tensorrechnung auf riemannschen Mannigfaltigkeiten 3 Einem grosseren Fachpublikum machten sie ihre Ergebnisse 1900 mit dem Buch Calcolo differenziale assoluto zuganglich aus dem sich Albert Einstein die mathematischen Grundlagen aneignete die er zur Formulierung der allgemeinen Relativitatstheorie benotigte Einstein selbst pragte 1916 den Begriff Tensoranalysis und trug mit seiner Theorie massgeblich dazu bei den Tensorkalkul bekannt zu machen er fuhrte uberdies die einsteinsche Summenkonvention ein nach der uber doppelt auftretende Indizes unter Weglassung der Summenzeichen summiert wird Arten von Tensoren Bearbeiten nbsp Das Levi Civita Symbol im Dreidimensionalen reprasentiert einen besonders einfachen dreistufigen TensorAusgehend von einem endlichdimensionalen Vektorraum bezeichnet man Skalare als Tensoren vom Typ 0 0 displaystyle 0 0 nbsp Spaltenvektoren als Tensoren vom Typ 1 0 displaystyle 1 0 nbsp und Kovektoren bzw Zeilenvektoren als Tensoren vom Typ 0 1 displaystyle 0 1 nbsp Tensoren hoherer Stufe definiert man als multilineare Abbildungen mit Tensoren geringerer Stufe als Argumenten und Abbildungswerten So kann etwa ein Tensor vom Typ 1 1 displaystyle 1 1 nbsp als lineare Abbildung zwischen Vektorraumen oder als bilineare Abbildung mit einem Vektor und einem Kovektor als Argumente aufgefasst werden Beispielsweise ist der mechanische Spannungstensor in der Physik ein Tensor zweiter Stufe eine Zahl Starke der Spannung oder ein Vektor eine Hauptspannungsrichtung reichen nicht immer zur Beschreibung des Spannungszustandes eines Korpers aus Als Tensor vom Typ 0 2 displaystyle 0 2 nbsp aufgefasst ist er eine lineare Abbildung die einem Flachenelement als Vektor die darauf wirkende Kraft als Kovektor zuordnet oder eine bilineare Abbildung die einem Flachenelement und einem Verschiebungsvektor die Arbeit zuordnet die bei der Verschiebung des Flachenstucks unter dem Einfluss der wirkenden Spannung verrichtet wird Bezuglich einer fest gewahlten Vektorraumbasis erhalt man die folgenden Darstellungen der verschiedenen Typen von Tensoren Ein Skalar durch eine einzelne Zahl Ein Vektor durch einen Spaltenvektor Ein Kovektor durch einen Zeilenvektor Ein Tensor zweiter Stufe durch eine MatrixDie Anwendung des Spannungstensors auf ein Flachenelement ist dann z B durch das Produkt einer Matrix mit einem Spaltenvektor gegeben Die Koordinaten von Tensoren hoherer Stufe konnen entsprechend in ein hoherdimensionales Schema angeordnet werden So konnen diese Komponenten eines Tensors anders als die eines Spaltenvektors oder einer Matrix mehr als ein oder zwei Indizes haben Ein Beispiel fur einen Tensor dritter Stufe der drei Vektoren des R 3 displaystyle mathbb R 3 nbsp als Argumente hat ist die Determinante einer 3 3 Matrix als Funktion der Spalten dieser Matrix Bezuglich einer Orthonormalbasis wird er durch das Levi Civita Symbol e i j k displaystyle varepsilon ijk nbsp reprasentiert Ko und Kontravarianz von Vektoren Bearbeiten Hauptartikel Kovarianz Physik und Kontravarianz Physik Die Begriffe ko und kontravariant beziehen sich auf die Koordinatendarstellungen von Vektoren Linearformen und werden auch wie spater im Artikel beschrieben auf Tensoren angewandt Sie beschreiben wie sich solche Koordinatendarstellungen bezuglich eines Basiswechsels im zugrundeliegenden Vektorraum verhalten Legt man in einem n displaystyle n nbsp dimensionalen Vektorraum V displaystyle V nbsp eine Basis e 1 e n displaystyle e 1 dotsc e n nbsp fest so kann jeder Vektor v V displaystyle v in V nbsp dieses Raumes durch ein Zahlentupel x 1 x n displaystyle x 1 dotsc x n nbsp seine Koordinaten mittels v k e k x k displaystyle textstyle v sum k e k x k nbsp dargestellt werden Legt man der Koordinatendarstellung eine andere Basis von V displaystyle V nbsp zugrunde so werden sich die Koordinaten ein und desselben Vektors bezuglich dieser neuen Basis andern Der Ubergang zu einer anderen Basis bedingt also eine Transformation der Koordinatendarstellung Dabei gilt Ist die neue Basis durch e j k e k A k j displaystyle textstyle e j sum k e k A k j nbsp in der alten Basis bestimmt so ergeben sich die neuen Koordinaten durch Vergleich in v k e k x k j e j x j j k e k A k j x j displaystyle v sum k e k x k sum j e j x j sum j k e k A k j x j nbsp also x k j A k j x j x j k A 1 j k x k displaystyle begin aligned x k amp sum j A k j x j x j amp sum k A 1 j k x k end aligned nbsp Dreht man zum Beispiel eine orthogonale Basis in einem dreidimensionalen euklidischen Raum V displaystyle V nbsp um 30 displaystyle 30 circ nbsp um die z displaystyle z nbsp Achse so drehen sich die Koordinatenvektoren im Koordinatenraum R 3 displaystyle mathbb R 3 nbsp ebenfalls um die z displaystyle z nbsp Achse aber in der entgegengesetzten Richtung also um 30 displaystyle 30 circ nbsp Dieses der Basistransformation entgegengesetzte Transformationsverhalten nennt man kontravariant Oft werden Vektoren zur Abkurzung der Notation mit ihren Koordinatenvektoren identifiziert sodass Vektoren allgemein als kontravariant bezeichnet werden Eine Linearform oder ein Kovektor a V displaystyle alpha in V nbsp ist dagegen eine skalarwertige lineare Abbildung a V K displaystyle alpha colon V to mathbb K nbsp auf dem Vektorraum Man kann ihr als Koordinaten ihre Werte auf den Basisvektoren a k a e k displaystyle alpha k alpha e k nbsp zuordnen Die Koordinatenvektoren einer Linearform transformieren sich wie das Basistupel als a j a e j k a e k A k j k a k A k j displaystyle alpha j alpha e j sum k alpha e k A k j sum k alpha k A k j nbsp weshalb man dieses Transformationsverhalten kovariant nennt Identifiziert man wieder Linearformen mit ihren Koordinatenvektoren so bezeichnet man auch allgemein Linearformen als kovariant Hierbei geht wie bei Vektoren die zugrundeliegende Basis aus dem Kontext hervor Man spricht in diesem Kontext auch von Dualvektoren Diese Bezeichnungen werden auf Tensoren ubertragen Dies wird im nachsten Abschnitt zur Definition der r s displaystyle r s nbsp Tensoren erklart Definition Bearbeiten r s Tensorraum Bearbeiten Im Folgenden sind alle Vektorraume endlichdimensional uber dem Korper K displaystyle K nbsp Mit L E K displaystyle L E K nbsp bezeichne man die Menge aller Linearformen aus dem K displaystyle K nbsp Vektorraum E displaystyle E nbsp in den Korper K displaystyle K nbsp und allgemeiner mit L E 1 E 2 displaystyle L E 1 E 2 nbsp die Menge aller K displaystyle K nbsp linearen Abbildungen eines K displaystyle K nbsp Vektorraums E 1 displaystyle E 1 nbsp in einen K displaystyle K nbsp Vektorraum E 2 displaystyle E 2 nbsp Sind E 1 E k displaystyle E 1 dotsc E k nbsp Vektorraume uber K displaystyle K nbsp so werde der Vektorraum der Multilinearformen E 1 E 2 E k K displaystyle E 1 times E 2 times dotsb times E k to K nbsp mit L k E 1 E 2 E k K displaystyle L k E 1 E 2 dotsc E k K nbsp bezeichnet Entsprechend bezeichne L k E 1 E 2 E k E displaystyle L k E 1 E 2 dotsc E k E nbsp die Menge aller K displaystyle K nbsp multilinearen Abbildungen E 1 E 2 E k E displaystyle E 1 times E 2 times dotsb times E k to E nbsp hier speziell der k displaystyle k nbsp fach K displaystyle K nbsp linearen Abbildungen Im Falle von E K displaystyle E K nbsp und k 2 displaystyle k 2 nbsp handelt es sich um Bilinearformen Ist E displaystyle E nbsp ein K displaystyle K nbsp Vektorraum so wird mit E L E K displaystyle E L E K nbsp sein Dualraum bezeichnet Dann existieren gemass der universellen Eigenschaft kanonische Isomorphismen L k E 1 E 2 E k K E 1 E 2 E k E 1 E 2 E k displaystyle L k E 1 E 2 dotsc E k K cong E 1 otimes E 2 otimes dotsc otimes E k cong E 1 otimes E 2 otimes dotsb otimes E k nbsp und allgemeiner L k E 1 E 2 E k E L E 1 E 2 E k E displaystyle L k E 1 E 2 dotsc E k E cong L E 1 otimes E 2 otimes dotsc otimes E k E nbsp Der kanonischen Isomorphie E E L E K displaystyle E cong E L E K nbsp eines Vektorraums E displaystyle E nbsp mit seinem Bidualraum E displaystyle E nbsp wegen folgt durch Ersetzen von E i displaystyle E i nbsp durch E i displaystyle E i nbsp und mithin von E i displaystyle E i nbsp durch E i E i displaystyle E i E i nbsp dass L k E 1 E 2 E k K displaystyle L k E 1 E 2 dotsc E k K nbsp zum Tensorprodukt E 1 E 2 E k displaystyle E 1 otimes E 2 otimes dotsb otimes E k nbsp isomorph ist Zur Realisierung des Tensorproduktraums als Raum von Multilinearformen sowie zur kanonischen Identifizierung E 1 E 2 E k E 1 E 2 E k displaystyle E 1 otimes E 2 otimes dotsc otimes E k cong E 1 otimes E 2 otimes dotsb otimes E k nbsp die in diesem Abschnitt noch haufiger genutzt wird siehe die Abschnitte uber die universelle Eigenschaft und uber Tensorprodukte und Multilinearformen Es gibt naturliche Isomorphismen der folgenden Art L k E 1 E 2 E k K L m E 1 E m E m 1 E k L E 1 E m E m 1 E k displaystyle begin aligned L k E 1 E 2 dotsc E k K amp cong L m E 1 dotsc E m E m 1 otimes dotsb otimes E k amp cong L E 1 otimes dotsb otimes E m E m 1 otimes dotsb otimes E k end aligned nbsp Diesen naturlichen Isomorphismen liegen die Zuruckfuhrung n displaystyle n nbsp fach linearer Abbildungen auf n 1 displaystyle n 1 nbsp fach lineare Abbildungen vgl Currying oder Schonfinkeln einerseits und die universelle Eigenschaft des Tensorprodukts andererseits mehrfach angewandt zugrunde L k E 1 E k E L k 1 E 1 E k 1 L E k E L k 2 E 1 E k 2 L E k 1 L E k E L k 2 E 1 E k 2 L 2 E k 1 E k E L E 1 E k 2 L E k 1 E k E L E 1 E m L E m 1 E k E fur 0 m k displaystyle begin aligned L k E 1 dotsc E k E amp cong L k 1 E 1 dotsc E k 1 L E k E amp cong L k 2 E 1 dotsc E k 2 L E k 1 L E k E amp cong L k 2 E 1 dotsc E k 2 L 2 E k 1 E k E amp cong L E 1 otimes dotsc otimes E k 2 L E k 1 otimes E k E amp vdots qquad cdots cdots cdots amp cong L E 1 otimes dotsc otimes E m L E m 1 otimes dotsc otimes E k E text fur 0 leq m leq k end aligned nbsp Speziell fur E K displaystyle E K nbsp besteht also der oben behauptete naturliche IsomorphismusL k E 1 E k K L E 1 E m E m 1 E k l l 1 m v 1 v m l v 1 v m E m 1 E k wobei l v 1 v m v m 1 v k l v 1 v k displaystyle begin matrix L k E 1 dotsc E k K amp stackrel sim longrightarrow amp L E 1 otimes dotsc otimes E m E m 1 otimes dotsc otimes E k lambda amp longmapsto amp left lambda 1 dotsc m colon v 1 otimes dotsc otimes v m mapsto lambda v 1 dotsc v m in E m 1 otimes dotsc otimes E k right text amp amp text wobei left lambda v 1 dotsc v m colon v m 1 otimes dotsc otimes v k mapsto lambda v 1 dotsc v k right end matrix nbsp und fur die Linearform l 1 m E m 1 E k displaystyle lambda 1 dotsc m in E m 1 otimes dotsc otimes E k nbsp die Identifikation E m 1 E k E m 1 E k displaystyle E m 1 otimes dotsc otimes E k cong E m 1 otimes dotsc otimes E k nbsp vorgenommen wird Es genugt hierbei die Abbildungen auf den elementaren Tensoren siehe auch Abschnitt Tensor als Element des Tensorproduktes als einem Erzeugendensystem uber dem Grundkorper K displaystyle K nbsp festzulegen Zu erganzen ist noch dass in den Fallen m 0 displaystyle m 0 nbsp und m k displaystyle m k nbsp das leere Tensorprodukt entsteht das mit dem Grundkorper K displaystyle K nbsp zu identifizieren ist Insbesondere besteht also fur K displaystyle K nbsp Vektorraume V displaystyle V nbsp und W displaystyle W nbsp die Identifikation L V W L V W K V W f b v m m f v displaystyle begin matrix L V W amp stackrel sim longrightarrow amp L V otimes W K cong V otimes W f amp longmapsto amp beta colon v otimes mu mapsto mu circ f v end matrix nbsp Definition Fur einen fixierten Vektorraum E displaystyle E nbsp uber einem Korper K displaystyle K nbsp mit Dualraum E displaystyle E nbsp sei T s r E K displaystyle T s r E K nbsp definiert durch T s r E K L r s E E E E K displaystyle T s r E K L r s E dotsc E E dotsc E K nbsp mit r displaystyle r nbsp Eintragen von E displaystyle E nbsp und s displaystyle s nbsp Eintragen von E displaystyle E nbsp Elemente dieser Menge heissen Tensoren kontravariant der Stufe r displaystyle r nbsp und kovariant der Stufe s displaystyle s nbsp Kurz spricht man von Tensoren vom Typ r s displaystyle r s nbsp Die Summe r s displaystyle r s nbsp heisst Stufe oder Rang des Tensors 4 5 Mit den obigen Uberlegungen bei r m displaystyle r m nbsp und r s k displaystyle r s k nbsp sowie E i E displaystyle E i E nbsp fur i 1 r displaystyle i in 1 dotsc r nbsp bzw E i E displaystyle E i E nbsp fur i m 1 k displaystyle i in m 1 dotsc k nbsp ergibt sich insgesamt T s r E K L r s E E r Eintrage E E s Eintrage K L E E r Faktoren E E s Faktoren E E r Faktoren E E s Faktoren displaystyle begin aligned T s r E K amp L r s underbrace E dotsc E r text Eintrage underbrace E dotsc E s text Eintrage K amp cong L underbrace E otimes dotsc otimes E r text Faktoren underbrace E otimes dotsc otimes E s text Faktoren amp cong underbrace E otimes dotsc otimes E r text Faktoren otimes underbrace E otimes dotsc otimes E s text Faktoren end aligned nbsp Also realisiert der Vektorraum T s r E K displaystyle T s r E K nbsp der Tensoren vom Typ r s displaystyle r s nbsp das Tensorprodukt E E r Faktoren E E s Faktoren displaystyle underbrace E otimes dotsb otimes E r text Faktoren otimes underbrace E otimes dotsb otimes E s text Faktoren nbsp namlich durch die obige kanonische Identifikation T s r E K L E E r E E s K E E r E E s displaystyle begin matrix T s r E K L underbrace E dotsc E r underbrace E dotsc E s K amp stackrel sim longrightarrow amp underbrace E otimes dotsc otimes E r otimes underbrace E otimes dotsc otimes E s end matrix nbsp Diese naturlichen Isomorphismen bedeuten dass man Tensoren der Stufe r s gt 2 displaystyle r s gt 2 nbsp auch induktiv als multilineare Abbildungen zwischen Tensorraumen geringerer Stufe definieren kann Dabei hat man fur einen Tensor eines bestimmten Typs mehrere aquivalente Moglichkeiten In der Physik sind die Vektorraume in der Regel nicht identisch z B kann man einen Geschwindigkeitsvektor und einen Kraftvektor nicht addieren Man kann jedoch die Richtungen miteinander vergleichen d h die Vektorraume bis auf einen skalaren Faktor miteinander identifizieren Daher kann die Definition von Tensoren des Typs r s displaystyle r s nbsp entsprechend angewendet werden Es sei ausserdem erwahnt dass dimensionsbehaftete Skalare in der Physik Elemente aus eindimensionalen Vektorraumen sind und dass Vektorraume mit Skalarprodukt mit ihrem Dualraum identifiziert werden konnen Man arbeitet z B mit Kraftvektoren obwohl Krafte ohne die Verwendung des Skalarprodukts als Kovektoren anzusehen sind Ausseres Tensorprodukt Bearbeiten Als ausseres Tensorprodukt oder Tensormultiplikation bezeichnet man eine Verknupfung displaystyle otimes nbsp zwischen zwei Tensoren Sei E displaystyle E nbsp ein Vektorraum und seien t 1 T s 1 r 1 E displaystyle t 1 in T s 1 r 1 E nbsp und t 2 T s 2 r 2 E displaystyle t 2 in T s 2 r 2 E nbsp Tensoren Das aussere Tensorprodukt von t 1 displaystyle t 1 nbsp und t 2 displaystyle t 2 nbsp ist der Tensor t 1 t 2 T s 1 s 2 r 1 r 2 E displaystyle t 1 otimes t 2 in T s 1 s 2 r 1 r 2 E nbsp der durch t 1 t 2 b 1 b r 1 g 1 g r 2 f 1 f s 1 g 1 g s 2 t 1 b 1 b r 1 f 1 f s 1 t 2 g 1 g r 2 g 1 g s 2 displaystyle left t 1 otimes t 2 beta 1 dotsc beta r 1 gamma 1 dotsc gamma r 2 f 1 dotsc f s 1 g 1 dotsc g s 2 right t 1 beta 1 dotsc beta r 1 f 1 dotsc f s 1 t 2 gamma 1 dotsc gamma r 2 g 1 dotsc g s 2 nbsp definiert ist Hierbei sind die b j g j E displaystyle beta j gamma j in E nbsp und die f j g j E displaystyle f j g j in E nbsp Beispiele von r s Tensoren BearbeitenIm Folgenden seien E displaystyle E nbsp und F displaystyle F nbsp endlichdimensionale Vektorraume Die Menge der 0 0 Tensoren ist isomorph mit dem zugrunde liegenden Korper K displaystyle K nbsp Sie ordnen keiner Linearform und keinem Vektor ein Korperelement zu Deshalb die Bezeichnung als 0 0 Tensoren 0 1 Tensoren ordnen keiner Linearform und einem Vektor eine Zahl zu entsprechen somit den Linearformen L E K E displaystyle L E K E nbsp auf E displaystyle E nbsp 1 0 Tensoren ordnen einer Linearform und keinem Vektor eine Zahl zu Sie sind somit Elemente des bidualen Vektorraums E displaystyle E nbsp Sie entsprechen bei endlichdimensionalen Vektorraumen den Ausgangsvektorraumen E displaystyle E nbsp da hier T 0 1 E E E displaystyle T 0 1 E cong E cong E nbsp gilt siehe Isomorphismus Eine lineare Abbildung E F displaystyle E to F nbsp zwischen endlichdimensionalen Vektorraumen kann als Element von E F displaystyle E otimes F nbsp aufgefasst werden und ist dann ein 1 1 Tensor Eine Bilinearform E E K displaystyle E times E to K nbsp lasst sich als ein Element von E E displaystyle E otimes E nbsp auffassen also als ein 0 2 Tensor Insbesondere lassen sich also Skalarprodukte als 0 2 Tensoren auffassen Das Kronecker Delta d displaystyle delta nbsp ist wieder ein 0 2 Tensor Es ist ein Element von E E displaystyle E otimes E nbsp und somit eine multilineare Abbildung d E E K displaystyle delta colon E times E to K nbsp Multilineare Abbildungen sind durch die Wirkung auf die Basisvektoren eindeutig bestimmt So ist das Kronecker Delta eindeutig durchd e i e j 1 falls i j 0 falls i j displaystyle delta e i e j left begin matrix 1 amp mbox falls i j 0 amp mbox falls i neq j end matrix right nbsp dd bestimmt Die Determinante von n n displaystyle n times n nbsp Matrizen aufgefasst als alternierende Multilinearform der Spalten ist ein 0 n Tensor Bezuglich einer Orthonormalbasis wird er durch das Levi Civita Symbol den Epsilontensor dargestellt Speziell in drei reellen Dimensionen ist die Determinante det R 3 R 3 R 3 R displaystyle det colon mathbb R 3 times mathbb R 3 times mathbb R 3 to mathbb R nbsp ein Tensor dritter Stufe und es gilt e i j k det e i e j e k displaystyle varepsilon ijk det e i e j e k nbsp fur die Elemente einer Orthonormalbasis Sowohl das Kronecker Delta als auch das Levi Civita Symbol werden haufig verwendet um Symmetrieeigenschaften von Tensoren zu untersuchen Das Kronecker Delta ist symmetrisch bei Vertauschungen der Indizes das Levi Civita Symbol antisymmetrisch sodass man mit ihrer Hilfe Tensoren in symmetrische und antisymmetrische Anteile zerlegen kann Ein weiteres Beispiel fur einen kovarianten Tensor 2 Stufe ist der Tragheitstensor In der Elastizitatstheorie verallgemeinert man die hookesche Gleichung uber den Zusammenhang zwischen Kraften und zugehorigen Dehnungen und Verzerrungen in einem elastischen Medium ebenfalls mit Hilfe der Tensorrechnung durch Einfuhrung des Verzerrungstensors der Verzerrungen Deformationen beschreibt und des Spannungstensors der die die Deformationen verursachenden Krafte beschreibt Siehe dazu auch unter Kontinuumsmechanik nach Sei V g displaystyle V g nbsp ein Vektorraum mit Skalarprodukt g displaystyle g nbsp Wie oben bereits erwahnt ist das Skalarprodukt g displaystyle g nbsp linear in beiden Argumenten also ein 0 2 Tensor bzw ein zweifach kovarianter Tensor Man spricht auch von einem metrischen Tensor oder kurz von einer Metrik Dabei ist zu beachten dass g displaystyle g nbsp selbst keine Metrik im Sinne eines metrischen Raums ist aber eine solche erzeugt Mit g i j displaystyle g ij nbsp werden die Koordinaten der Metrik bezuglich einer Basis des Vektorraums V displaystyle V nbsp bezeichnet v i displaystyle v i nbsp und w j displaystyle w j nbsp seien die Koordinaten der Vektoren v displaystyle v nbsp und w displaystyle w nbsp bezuglich derselben Basis Fur die Abbildung zweier Vektoren v displaystyle v nbsp und w displaystyle w nbsp unter der Metrik g displaystyle g nbsp gilt deshalbg v w i j g i j v i w j displaystyle g v w sum i j g ij v i w j nbsp dd Der Ubergang zwischen ko und kontravarianten Tensoren lasst sich mittels der Metrik durchx i j g i j x j displaystyle x i sum j g ij x j nbsp dd bewerkstelligen In der Differentialgeometrie auf riemannschen Mannigfaltigkeiten ist diese Metrik zusatzlich eine Funktion des Ortes Eine tensorwertige Funktion des Ortes wird Tensorfeld genannt im Fall des metrischen Tensors speziell riemannsche Metrik In der Theorie der pseudo riemannschen Mannigfaltigkeiten wird der Begriff des metrischen Tensors dahingehend verallgemeinert dass auf die Definitheit des Skalarprodukts verzichtet wird Wichtigste Anwendung ist die Relativitatstheorie In der speziellen Relativitatstheorie verwendet man statt der euklidischen Metrik die uneigentliche Metrik des Minkowskiraumes In der allgemeinen Relativitatstheorie wird ein Tensorfeld mit derselben Signatur wie die Minkowski Metrik verwendet Basis BearbeitenBasis und Dimension Bearbeiten Sei E displaystyle E nbsp wie oben ein Vektorraum dann sind die Raume T s r E displaystyle T s r E nbsp ebenfalls Vektorraume Weiterhin sei E displaystyle E nbsp nun endlichdimensional mit der Basis e 1 e n displaystyle e 1 dotsc e n nbsp Die duale Basis wird mit e 1 e n displaystyle e 1 dotsc e n nbsp bezeichnet Der Raum T s r E displaystyle T s r E nbsp der Tensoren ist dann ebenfalls endlichdimensional und e i 1 e i r e j 1 e j s i 1 i r j 1 j s 1 n displaystyle left left e i 1 otimes dotsb otimes e i r otimes e j 1 otimes dotsb otimes e j s right i 1 dotsc i r j 1 dotsc j s 1 dotsc n right nbsp ist eine Basis dieses Raumes Das heisst jedes Element t T s r E displaystyle t in T s r E nbsp kann durch i 1 i r j 1 j s 1 n a j 1 j s i 1 i r e i 1 e i r e j 1 e j s displaystyle sum i 1 dotsc i r j 1 dotsc j s 1 dotsc n a j 1 dotsc j s i 1 dotsc i r e i 1 otimes dotsb otimes e i r otimes e j 1 otimes dotsb otimes e j s nbsp dargestellt werden Die Dimension dieses Vektorraums ist T s r E n r s displaystyle T s r E n r s nbsp Wie in jedem endlichdimensionalen Vektorraum reicht es auch im Raum der Tensoren zu sagen wie eine Funktion auf der Basis operiert Da die obige Summendarstellung sehr viel Schreibarbeit mit sich bringt wird oft die einsteinsche Summenkonvention verwendet In diesem Fall schreibt man also a j 1 j s i 1 i r e i 1 e i r e j 1 e j s displaystyle a j 1 dotsc j s i 1 dotsc i r e i 1 otimes dotsb otimes e i r otimes e j 1 otimes dotsb otimes e j s nbsp Die Koeffizienten a j 1 j s i 1 i r displaystyle a j 1 dotsc j s i 1 dotsc i r nbsp werden Komponenten des Tensors bezuglich der Basis e 1 e n displaystyle e 1 dotsc e n nbsp genannt Oft identifiziert man die Komponenten des Tensors mit dem Tensor an sich Siehe dafur unter Tensordarstellungen der Physik nach Basiswechsel und Koordinatentransformation Bearbeiten Seien e i 1 e i n displaystyle e i 1 dotsc e i n nbsp und e i 1 e i n displaystyle e i 1 dotsc e i n nbsp paarweise verschiedene Basen der Vektorraume V 1 V n displaystyle V 1 dotsc V n nbsp Jeder Vektor also auch jeder Basisvektor e i l displaystyle e i l nbsp kann als Linearkombination der Basisvektoren e i l displaystyle e i l nbsp dargestellt werden Der Basisvektor e i l displaystyle e i l nbsp werde dargestellt durch e i l j l a j l i l e j l displaystyle e i l sum j l a j l i l e j l nbsp Die Grossen a j l i l displaystyle a j l i l nbsp bestimmen also die Basistransformation zwischen den Basen e i l displaystyle e i l nbsp und e i l displaystyle e i l nbsp Das gilt fur alle l 1 n displaystyle l 1 dotsc n nbsp Dieses Verfahren wird Basiswechsel genannt Ferner seien T i 1 i n displaystyle T i 1 dotsc i n nbsp die Komponenten des Tensors T displaystyle T nbsp bezuglich der Basis e i 1 e i n displaystyle e i 1 dotsc e i n nbsp Dann ergibt sich fur das Transformationsverhalten der Tensorkomponenten die Gleichung T i 1 i n j 1 j n a i 1 j 1 a i n j n T j 1 j n displaystyle T i 1 dotsc i n sum j 1 dots sum j n a i 1 j 1 dots a i n j n T j 1 dotsc j n nbsp Es wird in der Regel zwischen der Koordinatendarstellung des Tensors T i 1 i n displaystyle T i 1 dotsc i n nbsp und der Transformationsmatrix a j 1 i 1 a j n i n displaystyle a j 1 i 1 dots a j n i n nbsp unterschieden Die Transformationsmatrix a j 1 i 1 a j n i n displaystyle a j 1 i 1 dots a j n i n nbsp ist zwar eine indizierte Grosse aber kein Tensor Im euklidischen Raum sind das Drehmatrizen und in der speziellen Relativitatstheorie z B Lorentz Transformationen die sich auch als Drehungen in einem vierdimensionalen Minkowskiraum auffassen lassen Man spricht in diesem Fall auch von Vierertensoren und Vierervektoren Beispiel Bearbeiten Mit Hilfe der Komponenten kann ein Tensor bezuglich einer Basis dargestellt werden Beispielsweise kann ein Tensor T displaystyle T nbsp mit Rang 2 in einem gegebenen Basissystem B displaystyle mathcal B nbsp wie folgt als Matrix dargestellt werden T B T 11 T 12 T 1 n T 21 T 22 T 2 n T n 1 T n 2 T n n displaystyle T mathcal B begin pmatrix T 11 amp T 12 amp cdots amp T 1n T 21 amp T 22 amp cdots amp T 2n vdots amp vdots amp ddots amp vdots T n1 amp T n2 amp cdots amp T nn end pmatrix nbsp Dadurch lasst sich der Wert T v w displaystyle T v w nbsp im Rahmen des entsprechenden Basissystems mit Hilfe der Matrixmultiplikation berechnen T v w v 1 v 2 v n T 11 T 12 T 1 n T 21 T 22 T 2 n T n 1 T n 2 T n n w 1 w 2 w n displaystyle T v w begin pmatrix v 1 amp v 2 amp cdots amp v n end pmatrix cdot begin pmatrix T 11 amp T 12 amp cdots amp T 1n T 21 amp T 22 amp cdots amp T 2n vdots amp vdots amp ddots amp vdots T n1 amp T n2 amp cdots amp T nn end pmatrix cdot begin pmatrix w 1 w 2 vdots w n end pmatrix nbsp Betrachtet man nun konkret den Tragheitstensor I displaystyle I nbsp so kann mit ihm bezuglich eines gewahlten Koordinatensystems die Rotationsenergie E r o t displaystyle E mathrm rot nbsp eines starren Korpers mit der Winkelgeschwindigkeit w displaystyle vec omega nbsp wie folgt berechnet werden E r o t 1 2 w T I w 1 2 w a I b a w b 1 2 w 1 w 2 w 3 I 11 I 12 I 13 I 21 I 22 I 23 I 31 I 32 I 33 w 1 w 2 w 3 displaystyle E mathrm rot frac 1 2 vec omega T I vec omega frac 1 2 omega alpha I beta alpha omega beta frac 1 2 begin pmatrix omega 1 amp omega 2 amp omega 3 end pmatrix cdot begin pmatrix I 11 amp I 12 amp I 13 I 21 amp I 22 amp I 23 I 31 amp I 32 amp I 33 end pmatrix cdot begin pmatrix omega 1 omega 2 omega 3 end pmatrix nbsp Operationen auf Tensoren BearbeitenNeben dem Tensorprodukt gibt es fur r s Tensoren weitere wichtige Operationen Inneres Produkt Bearbeiten Das innere Produkt eines Vektors v E displaystyle v in E nbsp bzw eines Ko Vektors b E displaystyle beta in E nbsp mit einem Tensor t T s r E K displaystyle t in T s r E K nbsp ist der r s 1 displaystyle r s 1 nbsp bzw r 1 s displaystyle r 1 s nbsp Tensor der durch i v t b 1 b r v 1 v s 1 t b 1 b r v v 1 v s 1 displaystyle i v t left beta 1 dotsc beta r cdot v 1 dotsc v s 1 right t left beta 1 dotsc beta r v v 1 dotsc v s 1 right nbsp bzw durch i b t b 1 b r 1 v 1 v s t b b 1 b r 1 v 1 v s displaystyle i beta t left cdot beta 1 dotsc beta r 1 v 1 dotsc v s right t left beta beta 1 dotsc beta r 1 v 1 dotsc v s right nbsp definiert ist Dies bedeutet dass der r s displaystyle r s nbsp Tensor t displaystyle t nbsp an einem festen Vektor v displaystyle v nbsp bzw festen Kovektor b displaystyle beta nbsp ausgewertet wird Tensorverjungung Bearbeiten Hauptartikel Tensorverjungung Gegeben sei ein r s Tensor sowie 1 k r displaystyle 1 leq k leq r nbsp und 1 l s displaystyle 1 leq l leq s nbsp Die Tensorverjungung C l k displaystyle C l k nbsp bildet den Tensor b i 1 b i k b i r v j 1 v j l v j s displaystyle sum beta i 1 otimes dotsb otimes beta i k otimes dotsb otimes beta i r otimes v j 1 otimes dotsb otimes v j l otimes dotsb otimes v j s nbsp auf den Tensor C l k b i 1 b i k b i r v j 1 v j l v j s b i k v j l b i 1 b i k 1 b i k 1 b i r v j 1 v j l 1 v j l 1 v j s displaystyle begin aligned amp C l k left sum beta i 1 otimes dotsb otimes beta i k otimes dotsb otimes beta i r otimes v j 1 otimes dotsb otimes v j l otimes dotsb otimes v j s right amp sum beta i k v j l cdot beta i 1 otimes dotsb otimes beta i k 1 otimes beta i k 1 otimes dotsb otimes beta i r otimes v j 1 otimes dotsb otimes v j l 1 otimes v j l 1 otimes dotsb otimes v j s end aligned nbsp ab Dieser Vorgang heisst Tensorverjungung oder Spurbildung Im Fall von 1 1 Tensoren entspricht die Tensorverjungung C 1 1 V V K displaystyle C 1 1 colon V otimes V to K nbsp unter der Identifizierung V V E n d V displaystyle V otimes V cong mathrm End V nbsp der Spur eines Endomorphismus Mit Hilfe der einsteinschen Summenkonvention kann man die Tensorverjungung sehr kurz darstellen Seien beispielsweise T i j displaystyle T i j nbsp die Koeffizienten bzw Koordinaten des zweistufigen Tensors T displaystyle T nbsp bezuglich einer gewahlten Basis Will man diesen 1 1 Tensor verjungen so schreibt man oft anstatt C 1 1 T displaystyle C 1 1 T nbsp nur die Koeffizienten T i i displaystyle T i i nbsp Die einsteinsche Summenkonvention besagt nun dass uber alle gleichen Indizes summiert wird und somit T i i displaystyle T i i nbsp ein Skalar ist der mit der Spur des Endomorphismus ubereinstimmt Der Ausdruck B i j i displaystyle B i j i nbsp ist hingegen nicht definiert weil uber gleiche Indizes nur dann summiert wird wenn einer oben und einer unten steht Hingegen ist also B i j j displaystyle B i j j nbsp ein Tensor erster Stufe Pull Back Rucktransport Bearbeiten Hauptartikel Rucktransport Sei ϕ L E F displaystyle phi in L E F nbsp eine lineare Abbildung zwischen Vektorraumen die kein Isomorphismus zu sein braucht Der Rucktransport von ϕ displaystyle phi nbsp sei eine Abbildung ϕ L T s 0 F T s 0 E displaystyle phi in L T s 0 F T s 0 E nbsp die durch ϕ t f 1 f s t ϕ f 1 ϕ f s displaystyle phi t f 1 dotsc f s t phi f 1 dotsc phi f s nbsp definiert ist Dabei ist t T s 0 F displaystyle t in T s 0 F nbsp und f 1 f s E displaystyle f 1 dotsc f s in E nbsp Push Forward Bearbeiten Hauptartikel Pushforward Sei ϕ E F displaystyle phi colon E to F nbsp ein Vektorraumisomorphismus Definiere den Push Forward von ϕ displaystyle phi nbsp durch ϕ L T s r E T s r F displaystyle phi in L T s r E T s r F nbsp mit ϕ t b 1 b r f 1 f s t ϕ b 1 ϕ b r ϕ 1 f 1 ϕ 1 f s displaystyle phi t beta 1 dotsc beta r f 1 dotsc f s t phi beta 1 dotsc phi beta r phi 1 f 1 dotsc phi 1 f s nbsp Dabei ist t T s r E displaystyle t in T s r E nbsp b 1 b r F displaystyle beta 1 dotsc beta r in F nbsp und f 1 f s F displaystyle f 1 dotsc f s in F nbsp Mit ϕ b i displaystyle phi beta i nbsp wird der Rucktransport der Linearform b i displaystyle beta i nbsp notiert Konkret heisst dies ϕ b i b i ϕ displaystyle phi beta i beta i phi nbsp Analog zum Rucktransport kann man beim Push Forward auf die Isomorphie von ϕ displaystyle phi nbsp verzichten und diese Operation nur fur r 0 displaystyle r 0 nbsp Tensoren definieren Tensoralgebra Bearbeiten Hauptartikel Tensoralgebra Sei E displaystyle E nbsp ein Vektorraum uber einem Korper K displaystyle K nbsp Dann ist durch T E n 0 E n K E E E E E E displaystyle mathrm T E bigoplus n geq 0 E otimes n K oplus E oplus E otimes E oplus E otimes E otimes E oplus dotsb nbsp die sogenannte Tensoralgebra definiert Mit der Multiplikation die auf den homogenen Bestandteilen durch das Tensorprodukt gegeben ist wird T E displaystyle mathrm T E nbsp zu einer unitaren assoziativen Algebra Tensorproduktraum Bearbeiten Hauptartikel Tensorprodukt In diesem Abschnitt werden Tensorproduktraume definiert sie werden typischerweise in der Algebra betrachtet Diese Definition ist allgemeiner als die der r s Tensoren da hier die Tensorraume aus unterschiedlichen Vektorraumen konstruiert werden konnen Die universelle Eigenschaft fur das Tensorprodukt zweier Faktoren Bearbeiten nbsp Universelle Eigenschaft des TensorproduktesEs seien V displaystyle V nbsp und W displaystyle W nbsp Vektorraume uber dem Korper K displaystyle K nbsp Sind X Y displaystyle X Y nbsp weitere K displaystyle K nbsp Vektorraume b V W X displaystyle b colon V times W to X nbsp eine beliebige bilineare Abbildung und f X Y displaystyle f colon X to Y nbsp eine lineare Abbildung dann ist auch die Verknupfung f b V W Y displaystyle f circ b colon V times W to Y nbsp eine bilineare Abbildung Ist also eine bilineare Abbildung gegeben so kann man daraus auch beliebig viele weitere bilineare Abbildungen konstruieren Es stellt sich die Frage ob es eine bilineare Abbildung gibt aus der auf diese Art durch Verknupfung mit linearen Abbildungen alle bilinearen Abbildungen auf V W displaystyle V times W nbsp auf eindeutige Weise konstruiert werden konnen Ein solches universelles Objekt d h die bilineare Abbildung samt ihrem Bildraum wird als Tensorprodukt von V displaystyle V nbsp und W displaystyle W nbsp bezeichnet Definition Als Tensorprodukt der Vektorraume V displaystyle V nbsp und W displaystyle W nbsp wird jeder K displaystyle K nbsp Vektorraum X displaystyle X nbsp bezeichnet zu dem es eine bilineare Abbildung ϕ V W X displaystyle phi colon V times W to X nbsp gibt die die folgende universelle Eigenschaft erfullt Zu jeder bilinearen Abbildung b V W Y displaystyle b colon V times W to Y nbsp von V W displaystyle V times W nbsp in einen Vektorraum Y displaystyle Y nbsp existiert genau eine lineare Abbildung b X Y displaystyle b colon X to Y nbsp sodass fur alle v w V W displaystyle v w in V times W nbsp gilt b v w b ϕ v w displaystyle b v w b phi v w nbsp Gibt es einen solchen Vektorraum X displaystyle X nbsp so ist er bis auf Isomorphie eindeutig bestimmt Ist namlich bereits Y displaystyle Y nbsp mit der Bilinearform b displaystyle b nbsp als seinem Tensorprodukt displaystyle otimes nbsp ein zweiter derartigen Vektorraum X displaystyle X nbsp so gibt es neben der eindeutig bestimmten linearen Abbildung b displaystyle b nbsp mit der Eigenschaft b b ϕ displaystyle b b circ phi nbsp auch eine eindeutig bestimmte lineare Abbildung ϕ Y X displaystyle phi colon Y to X nbsp mit der Eigenschaft ϕ ϕ b displaystyle phi phi circ b nbsp da ja auch b Y displaystyle b Y nbsp die universelle Eigenschaft hat Also sind beide ϕ displaystyle phi nbsp und b displaystyle b nbsp Isomorphismen Man schreibt X V W displaystyle X V otimes W nbsp und ϕ v w v w displaystyle phi v w v otimes w nbsp Die universelle Eigenschaft kann also als b v w b v w displaystyle b v w b v otimes w nbsp geschrieben werden Zur Konstruktion solcher Produktraume sei auf den Artikel Tensorprodukt verwiesen Die universelle Eigenschaft des Tensorproduktes gibt also auf die obige Fragestellung eine bejahende Antwort und lasst sich so formulieren Die Abbildung L V W Y L 2 V W Y b b ϕ displaystyle begin matrix L V otimes W Y amp stackrel sim longrightarrow amp L 2 V W Y b amp longmapsto amp b circ phi end matrix nbsp ist surjektiv Existenzaussage und injektiv Eindeutigkeitsaussage mithin bijektiv und somit ein Isomorphismus von Vektorraumen Fur den Fall Y K displaystyle Y K nbsp ergibt sich eine Deutung des Dualraumes des Tensorproduktraumes als Raum der Bilinearformen Zusammen mit den bereits erwahnten Identifikationen ergibt sich V W V W L V W K L V W L W V displaystyle V otimes W cong V otimes W cong L V W K cong L V W cong L W V nbsp Tensor als Element des Tensorproduktes Bearbeiten In der Mathematik sind Tensoren Elemente von Tensorprodukten Es sei K displaystyle K nbsp ein Korper und es seien V 1 V 2 V s displaystyle V 1 V 2 dotsc V s nbsp Vektorraume uber dem Korper K displaystyle K nbsp Das Tensorprodukt V 1 V s displaystyle V 1 otimes dotsb otimes V s nbsp von V 1 V s displaystyle V 1 dotsc V s nbsp ist ein K displaystyle K nbsp Vektorraum dessen Elemente Summen von Symbolen der Form v 1 v s v i V i displaystyle v 1 otimes dotsb otimes v s quad v i in V i nbsp sind Dabei gelten fur diese Symbole die folgenden Rechenregeln v 1 v i v i v s v 1 v i v s v 1 v i v s displaystyle v 1 otimes dotsb otimes v i v i otimes dotsb otimes v s v 1 otimes dotsb otimes v i otimes dotsb otimes v s v 1 otimes dotsb otimes v i otimes dotsb otimes v s nbsp v 1 l v i v s l v 1 v i v s l K displaystyle v 1 otimes dotsb otimes lambda v i otimes dotsb otimes v s lambda v 1 otimes dotsb otimes v i otimes dotsb otimes v s quad lambda in K nbsp Die Tensoren der Form v 1 v s displaystyle v 1 otimes dotsb otimes v s nbsp heissen elementar Jeder Tensor lasst sich als Summe von elementaren Tensoren schreiben aber diese Darstellung ist ausser in trivialen Fallen nicht eindeutig wie man an der ersten der beiden Rechenregeln sieht Ist e i 1 e i d i displaystyle e i 1 dotsc e i d i nbsp eine Basis von V i displaystyle V i nbsp fur i 1 s displaystyle i 1 dotsc s nbsp d i dim V i displaystyle d i dim V i nbsp so ist e 1 j 1 e s j s 1 i s 1 j i d i displaystyle e 1 j 1 otimes dotsb otimes e s j s mid 1 leq i leq s 1 leq j i leq d i nbsp eine Basis von V 1 V s displaystyle V 1 otimes dotsb otimes V s nbsp Die Dimension von V 1 V s displaystyle V 1 otimes dotsb otimes V s nbsp ist also das Produkt der Dimensionen der einzelnen Vektorraume V 1 V s displaystyle V 1 dotsc V s nbsp Erweiterung auf mehrere Faktoren Universelle Eigenschaft fur mehrfache Tensorprodukte und Multilinearformen Bearbeiten Die bisherigen Betrachtungen zur universellen Eigenschaft lassen sich wie folgt auf mehrere Faktoren ausweiten Der Dualraum von span