Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지

Tensor series, part 20: defining the two-set structures module, vector space and algebra, and building the tensor algebra with a direct sum and injection mapsTensor 시리즈 20편: 집합이 둘인 구조인 모듈, 벡터 스페이스, 대수를 정의하고, 직합과 주입 사상으로 텐서 대수를 만든다

Tensor series텐서 시리즈Part 20 of 4040편 중 20번째
  1. Tensor #1. Elementary Vector Space텐서 #1. 기초적인 벡터 스페이스
  2. Tensor #2. Einstein Notation and Maps텐서 #2. 아인슈타인 표기법과 맵
  3. Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스
  4. Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트
  5. Tensor #5. Tensor Products텐서 #5. 텐서 프로덕트
  6. Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
  7. Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크
  8. Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환
  9. Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환
  10. Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스
  11. Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
  12. Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스
  13. Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션
  14. Tensor #14. Vector and Tensor Fields텐서 #14. 벡터장과 텐서장
  15. Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
  16. Tensor #16. The Metric Tensor Field텐서 #16. 메트릭 텐서장
  17. Tensor #17. The Covariant Derivative (Elementary Pedagogy)텐서 #17. 공변 미분 (초보적인 방법)
  18. Tensor #18. The Covariant Derivative, Continued텐서 #18. 공변미분 이어서
  19. Tensor #19. Algebraic Structures I텐서 #19. 대수 구조 I
  20. Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지
  21. Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분
  22. Tensor #22. Invitation to p-forms텐서 #22. p-형식으로의 초대
  23. Tensor #23. Operations on p-forms: The Exterior Algebra텐서 #23. p-형식의 연산과 외대수
  24. Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
  25. Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습
  26. Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습
  27. Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1
  28. Tensor #28. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 2텐서 #28. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 2
  29. Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
  30. Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
  31. Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
  32. Tensor #32. Tensor Density Examples텐서 #32. 텐서 밀도의 예
  33. Tensor #33. Duality and the Hodge Dual (Part 1)텐서 #33. 쌍대성과 호지 쌍대 (1부)
  34. Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
  35. Tensor #35. Other Notions of Duality텐서 #35. 또 다른 쌍대
  36. Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
  37. Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집
  38. Tensor #38. All Possible Operations텐서 #38. 가능한 모든 연산
  39. Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
  40. Tensor #40. Special Lecture: Tangent Spaces and Coordinate Basis텐서 #40. 특별 강의: 탄젠트 스페이스와 좌표 기저
Contents목차

XylyXylyX의 What is Tensor 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 20강 Algebraic Structures II - Modules to Algebras에 해당합니다. 지난 편에서 집합이 하나인 구조를 올라왔고, 이번에는 집합이 둘인 구조로 가서 마지막에 텐서 대수tensor algebra를 만듭니다.

집합이 둘 필요한 이유

지난 편의 구조는 연산이 하나인 군 계열과 둘인 환 계열로 나뉘지만, 모두 집합이 하나뿐입니다. 연산은 G×G→GG \times G \to G 꼴뿐이었습니다. 그런데 벡터 스페이스는 다릅니다. 벡터들은 덧셈에 대해 아벨 군이지만, 스칼라곱 R×V→V\mathbb{R} \times V \to V는 실수라는 다른 집합을 데려옵니다. 집합이 하나뿐인 구조에서는 이런 사상을 정의할 수조차 없으므로, 벡터 스페이스는 군 계열도 환 계열도 아닌 더 복잡한 대상입니다.

모듈

벡터 스페이스보다 일반적인 구조가 모듈module입니다. 재료는 둘입니다. 하나는 아벨 군 GG이고, 다른 하나는 덧셈과 곱셈을 갖춘 환 RR입니다. 여기에 환의 원소와 군의 원소를 받아 군의 원소를 내놓는 사상을 더합니다.

R×G→G,(a,g)↦agR \times G \to G, \qquad (a, g) \mapsto a g

이렇게 환이 왼쪽에서 곱해지면 왼쪽 RR-모듈이고, 곱이 G×R→GG \times R \to G 꼴이면 오른쪽 모듈입니다. 환이 교환되지 않기 때문에 생기는 구분입니다. 이 사상이 다음 선형성 조건을 지켜야 모듈입니다.

a(g+h)=ag+ah,(a+b)g=ag+bg,(ab)g=a(bg)a(g + h) = ag + ah, \qquad (a + b)g = ag + bg, \qquad (ab)g = a(bg)

세 식에는 서로 다른 덧셈과 곱셈이 섞여 있습니다. 첫 식의 g+hg + h는 군의 덧셈이고, 둘째 식의 a+ba + b는 환의 덧셈이며, agag는 모듈의 곱이고, 셋째 식의 abab는 환의 곱입니다. 컴퓨터 언어에서 연산자를 오버로딩해도 인자의 종류를 보고 어느 연산인지 알듯이, 양쪽에 놓인 것이 무엇인지로 판단하면 됩니다.

마지막으로 환의 곱셈 항등원이 군에서도 항등원으로 작용해야 합니다.

1⋅g=g1 \cdot g = g

환의 항등원이라고 해서 이 사상이 저절로 존중해 주는 것은 아니므로 따로 요구합니다.

Q. 1⋅g=g1 \cdot g = g가 앞의 세 식에서 따라 나오지 않나요?
A. 따라 나오지 않습니다. 모든 agag를 0으로 정의해도 앞의 세 식은 모두 성립하는데, 이 사상은 1⋅g=g1 \cdot g = g를 어깁니다. (이 반례는 위 설명에 덧붙인 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

벡터 스페이스는 모듈의 특별한 경우

모듈에서 환 RR이 체 FF이면 벡터 스페이스입니다. 달라지는 것은 환에 역원이 있는지와 교환이 되는지뿐입니다. 그러므로 모든 벡터 스페이스는 모듈이지만 모든 모듈이 벡터 스페이스는 아닙니다. 환이 나눗셈 환인 중간 단계가 있어서, 사원수를 스칼라로 하면 옛 정의로는 벡터 스페이스이지만 현대 정의는 체를 요구하므로 모듈로 취급합니다.

차이는 말로 끝나지 않습니다. 벡터 스페이스에는 차원이 유한하든 무한하든 항상 기저가 있고, 이 증명에는 선택 공리가 쓰입니다. 모듈은 기저가 있을 때도 없을 때도 있습니다. (예로 Z6\mathbb{Z}_6의 원소는 정수를 곱해 0이 되는 것이 있어 기저를 잡을 수 없습니다. 이 예는 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 체에서는 0이 아닌 스칼라로 나눌 수 있다는 사실이 이 모든 증명을 가능하게 합니다.

함수 환 위의 벡터장

일반 상대성 이론에서 나오는 모듈의 예가 텐서장입니다. 시공간 MM의 각 점 pp에는 접공간 TpT_p라는 벡터 스페이스가 있고, 벡터장은 점마다 벡터를 하나씩 고릅니다. 좌표 기저 ∂μ\partial_\mu로 쓰면 X=Xμ(x) ∂μX = X^\mu(x)\, \partial_\mu이고, 벡터장은 함수를 함수로 보내는 사상입니다. 벡터장끼리는 성분을 더하면 되므로 벡터장 전체는 아벨 군입니다.

이제 스칼라를 무엇으로 잡을까요. 무한히 미분 가능한 함수 전체 C∞(M)C^\infty(M)에서는 점별로 덧셈과 곱셈을 정의할 수 있습니다.

(f+g)(x)=f(x)+g(x),(fg)(x)=f(x) g(x)(f + g)(x) = f(x) + g(x), \qquad (fg)(x) = f(x)\, g(x)

항등원도 있습니다. 모든 점에서 1인 함수입니다. 하지만 역원은 없습니다. 어떤 점에서 0이 되는 함수는 점별로 곱해서 1을 만들 수 없기 때문입니다. 그러므로 C∞(M)C^\infty(M)은 환일 뿐 나눗셈 환도 체도 아닙니다. 벡터장에 함수를 곱하면 다시 벡터장이므로, 벡터장 전체는 C∞(M)C^\infty(M) 위의 모듈입니다. 스칼라를 상수 실수로 제한하면 벡터 스페이스지만, 함수까지 허용하면 모듈일 뿐입니다.

Q. 왜 함수 전체는 체가 아닌가요?
A. 0이 되는 점을 지나는 함수는 곱셈 역원을 만들 수 없습니다. 함수 xx는 x=0x = 0에서 0이어서 1/x1/x가 그 점에서 정의되지 않습니다. (이 구체적인 함수는 설명을 위한 것이고, 강의에서는 0을 지나는 함수는 역원이 없다고만 말합니다.)

대수

가장 복잡한 구조가 대수algebra입니다. 벡터 스페이스 VV에서 출발해, 벡터끼리 곱하는 연산을 하나 더 얹습니다.

V×V→V,(g,h)↦g⋅hV \times V \to V, \qquad (g, h) \mapsto g \cdot h

이 곱은 덧셈에 대해 양쪽으로 분배되고, 스칼라와 어울려야 합니다. 이것을 쌍선형bilinear이라고 합니다.

(g+h)⋅f=g⋅f+h⋅f,f⋅(g+h)=f⋅g+f⋅h,(ag)⋅(bh)=ab (g⋅h)(g + h) \cdot f = g \cdot f + h \cdot f, \qquad f \cdot (g + h) = f \cdot g + f \cdot h, \qquad (a g) \cdot (b h) = ab\,(g \cdot h)

여기서 곱 ⋅\cdot는 벡터 사이의 곱이고, 스칼라의 곱 abab와 구분해야 합니다. 대수는 벡터 스페이스에서 벡터끼리 곱할 수 있게 된 구조입니다.

눈여겨볼 점은 이 곱이 결합적일 필요가 없다는 것입니다. 지금까지 모든 구조가 결합법칙을 가장 먼저 요구했는데, 대수에서는 처음으로 선택 사항이 됩니다. 물리에서 흥미로운 대수 가운데에는 결합법칙이 없는 것이 많습니다. (리 대수의 괄호나 3차원 벡터의 외적이 그런 예입니다. 이 예는 설명을 위한 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 실수와 복소수도 대수이고, 교환이 되는 대수와 안 되는 대수가 모두 많습니다.

텐서 대수 만들기

텐서 대수는 이 중에서도 중요한 예입니다. 뒤에 나올 미분 형식을 이해하는 바탕이기 때문입니다. 먼저 두 가지를 복습합니다. 벡터 스페이스 VV를 nn번 텐서 곱한 것은 짧게 V⊗nV^{\otimes n}이라 씁니다. V⊗0V^{\otimes 0}은 스칼라 스페이스 자신, V⊗1V^{\otimes 1}은 VV, V⊗2V^{\otimes 2}는 계수 2 텐서의 스페이스입니다. 그리고 여러 벡터 스페이스의 직합direct sum은 순서쌍 (a,b,c,… )(a, b, c, \dots) 전체이고, 첫째 칸은 첫째 스페이스에서, 둘째 칸은 둘째 스페이스에서 옵니다. 덧셈과 스칼라곱은 칸마다 합니다.

(a,b)+(c,d)=(a+c,  b+d),k (a,b)=(ka,  kb)(a, b) + (c, d) = (a + c,\; b + d), \qquad k\,(a, b) = (ka,\; kb)

텐서 대수의 집합은 모든 차수의 텐서 곱을 직합한 것입니다.

TV=⨁n=0∞V⊗n=V⊗0⊕V⊗1⊕V⊗2⊕⋯TV = \bigoplus_{n=0}^{\infty} V^{\otimes n} = V^{\otimes 0} \oplus V^{\otimes 1} \oplus V^{\otimes 2} \oplus \cdots

원소 하나는 실수 aa, 벡터 bμeμb^\mu e_\mu, 계수 2 텐서 cμνeμ⊗eνc^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu, 계수 3 텐서 등을 차례로 칸에 담은 열입니다. 칸마다 다른 벡터 스페이스이고, 덧셈도 스칼라곱도 칸 안에서 이루어집니다. (표준 정의에서는 0이 아닌 칸이 유한 개인 열만 모읍니다. 이 설명은 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

주입 사상과 곱

서로 다른 차수의 텐서는 다른 벡터 스페이스의 원소이므로 더할 수 없습니다. 그런데 책에서는 가끔 Bμνeμ⊗eν+AμeμB^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu + A^\mu e_\mu 같은 식을 씁니다. 이것이 말이 되게 하는 장치가 주입 사상injection map ιn\iota_n입니다. ιn\iota_n은 V⊗nV^{\otimes n}의 원소를 TVTV의 nn번째 칸에 넣고 나머지를 0으로 채웁니다.

ι2(B)=(0,0,B,0,0,… )\iota_2(B) = (0, 0, B, 0, 0, \dots)

그러면 ι2(B)+ι4(C)\iota_2(B) + \iota_4(C)는 TVTV 안의 덧셈이고, 칸마다 더해 (0,0,B,0,C,0,… )(0, 0, B, 0, C, 0, \dots)이 됩니다. 책에 적힌 합은 사실 이 주입 사상을 거친 합을 줄여 쓴 것입니다.

Q. 서로 다른 차수의 텐서를 더하는 것은 정말 불가능하다고 했는데, 어떻게 가능해졌나요?
A. 원래 스페이스 안에서는 여전히 불가능합니다. 대신 둘을 더 큰 스페이스 TVTV의 다른 칸으로 옮겨 놓고, 그 큰 스페이스의 덧셈을 쓰는 것입니다. 주입 사상은 원소를 있던 모양 그대로 넣기만 해서 새로 만들어 내는 것이 없습니다.

곱셈은 텐서 곱으로 정합니다. B∈V⊗iB \in V^{\otimes i}와 C∈V⊗jC \in V^{\otimes j}를 텐서 곱하면 V⊗(i+j)V^{\otimes (i+j)}의 원소가 나옵니다. 주입 사상을 쓰면 이 곱이 TVTV 안의 연산이 됩니다.

ιi(B)⋅ιj(C)=ιi+j(B⊗C)\iota_i(B) \cdot \iota_j(C) = \iota_{i+j}(B \otimes C)

좌변은 TVTV의 두 원소를 곱한 것이고, 우변도 TVTV의 원소입니다. 곱의 항등원은 첫 칸이 1이고 나머지가 0인 열 (1,0,0,… )(1, 0, 0, \dots)입니다. 일반 원소끼리는 쌍선형이니 칸마다 위 식을 적용해 전개하면 됩니다. 이것은 다항식의 곱과 비슷하고, 차이는 차수가 각각 다른 벡터 스페이스에 산다는 점입니다.

직접 만져 보기

아래 장난감은 이 사다리를 한 번에 보여 줍니다. 스칼라 환을 골라 모듈, 벡터 스페이스, 대수 중 어디에 도달하는지 보고, 아래쪽에서는 차수 ii, jj를 정해 두 텐서가 칸에 들어가고 더해지고 곱해지는 것을 봅니다. 스칼라가 사원수이면 옛 정의의 벡터 스페이스로, 함수 환이면 모듈로 멈춥니다. 1⋅g=g1 \cdot g = g를 끄면 어떤 환이든 모듈이 아니게 됩니다. (이 장난감의 Z6\mathbb{Z}_6, Z5\mathbb{Z}_5 같은 예는 설명을 위해 고른 것으로, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

텐서 대수의 일부 조각만 잡아 만든 대수 가운데 가장 중요한 것이 외대수이고, 곧 다룹니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 20 of the playlist, Algebraic Structures II - Modules to Algebras. The previous post climbed through the structures with one set, and this time we move to structures with two sets and end by building the tensor algebra.

Why we need two sets

The structures of the previous post split into a group-like family with one operation and a ring-like family with two, but all of them have just one set. The operations were only of the form G×G→GG \times G \to G. A vector space is different. Its vectors form an abelian group under addition, but scalar multiplication R×V→V\mathbb{R} \times V \to V brings in another set, the real numbers. In a structure with only one set such a map cannot even be defined, so a vector space is neither group-like nor ring-like but a more complicated object.

Module

A structure more general than a vector space is a module. It has two ingredients. One is an abelian group GG, and the other is a ring RR with addition and multiplication. On top of them we add a map that takes an element of the ring and an element of the group and returns an element of the group.

R×G→G,(a,g)↦agR \times G \to G, \qquad (a, g) \mapsto a g

If the ring multiplies from the left this is a left RR-module, and if the product has the form G×R→GG \times R \to G it is a right module. The distinction arises because the ring need not be commutative. This map must obey the following linearity conditions to make a module.

a(g+h)=ag+ah,(a+b)g=ag+bg,(ab)g=a(bg)a(g + h) = ag + ah, \qquad (a + b)g = ag + bg, \qquad (ab)g = a(bg)

These three equations mix different additions and multiplications. The g+hg + h in the first is the addition of the group, the a+ba + b in the second is the addition of the ring, agag is the module multiplication, and the abab in the third is the multiplication of the ring. Just as a computer language can overload an operator and still tell which one is meant from the kinds of its arguments, we can tell by what stands on each side.

Finally, the multiplicative identity of the ring must also act as the identity on the group.

1⋅g=g1 \cdot g = g

That 1 is the identity of the ring does not make this map respect it automatically, so it is demanded separately.

Q. Doesn’t 1⋅g=g1 \cdot g = g follow from the three equations above?
A. It does not. If we define every agag to be 0, all three equations hold, yet this map fails 1⋅g=g1 \cdot g = g. (This counterexample is added to the explanation above and was not covered in the lecture.)

A vector space is a special module

In a module, if the ring RR is a field FF it is a vector space. All that changes is whether the ring has inverses and whether it is commutative. So every vector space is a module, but not every module is a vector space. There is an intermediate stage where the ring is a division ring: with quaternion scalars the old definition counts it as a vector space, but the modern definition requires a field, so it is treated as a module.

The difference is not only in words. A vector space, finite or infinite dimensional, always has a basis, and the proof uses the axiom of choice. A module sometimes has a basis and sometimes does not. (As an example, in Z6\mathbb{Z}_6 some elements become 0 when multiplied by an integer, so no basis can be chosen. This example was not covered in the lecture.) The fact that over a field we can divide by a nonzero scalar is what makes all these proofs work.

Vector fields over a ring of functions

An example of a module in general relativity is tensor fields. Each point pp of spacetime MM has a vector space, the tangent space TpT_p, and a vector field picks one vector at each point. In the coordinate basis ∂μ\partial_\mu it is X=Xμ(x) ∂μX = X^\mu(x)\, \partial_\mu, and a vector field is a map sending functions to functions. Vector fields can be added by adding components, so the set of all vector fields is an abelian group.

Now what should we take as scalars? On the set of all infinitely differentiable functions C∞(M)C^\infty(M) we can define addition and multiplication pointwise.

(f+g)(x)=f(x)+g(x),(fg)(x)=f(x) g(x)(f + g)(x) = f(x) + g(x), \qquad (fg)(x) = f(x)\, g(x)

There is also an identity: the function that is 1 at every point. But there are no inverses. A function that takes the value 0 at some point cannot be multiplied pointwise to give 1. So C∞(M)C^\infty(M) is only a ring, neither a division ring nor a field. A vector field times a function is again a vector field, so the set of all vector fields is a module over C∞(M)C^\infty(M). If we restrict the scalars to constant real numbers it is a vector space, but allowing functions makes it only a module.

Q. Why is the set of all functions not a field?
A. A function that passes through a point where it is 0 cannot get a multiplicative inverse. The function xx is 0 at x=0x = 0, so 1/x1/x is undefined at that point. (This specific function is for illustration. The lecture only says a function that takes the value 0 has no inverse.)

Algebra

The most complicated structure is the algebra. Starting from a vector space VV, we add one more operation that multiplies vectors by vectors.

V×V→V,(g,h)↦g⋅hV \times V \to V, \qquad (g, h) \mapsto g \cdot h

This product must distribute over addition on both sides and be compatible with the scalars. This is called bilinear.

(g+h)⋅f=g⋅f+h⋅f,f⋅(g+h)=f⋅g+f⋅h,(ag)⋅(bh)=ab (g⋅h)(g + h) \cdot f = g \cdot f + h \cdot f, \qquad f \cdot (g + h) = f \cdot g + f \cdot h, \qquad (a g) \cdot (b h) = ab\,(g \cdot h)

Here the product ⋅\cdot is the product between vectors, and it must be told apart from the product abab of scalars. An algebra is a vector space in which vectors can also be multiplied.

Note that this product need not be associative. Every structure so far demanded associativity first, and in an algebra it becomes optional for the first time. Among the algebras that are interesting in physics, many are non-associative. (The bracket of a Lie algebra and the cross product of 3-vectors are such examples. These examples are for illustration and were not covered in the lecture.) The real and complex numbers are algebras too, and there are many commutative and non-commutative ones.

Building the tensor algebra

The tensor algebra is an important example among these, because it is the foundation for understanding differential forms later. First we review two things. The nn-fold tensor product of a vector space VV is written V⊗nV^{\otimes n} for short. V⊗0V^{\otimes 0} is the scalar space itself, V⊗1V^{\otimes 1} is VV, and V⊗2V^{\otimes 2} is the space of rank 2 tensors. And the direct sum of several vector spaces is the set of all ordered tuples (a,b,c,… )(a, b, c, \dots), where the first slot comes from the first space and the second slot from the second space. Addition and scalar multiplication are done slot by slot.

(a,b)+(c,d)=(a+c,  b+d),k (a,b)=(ka,  kb)(a, b) + (c, d) = (a + c,\; b + d), \qquad k\,(a, b) = (ka,\; kb)

The set of the tensor algebra is the direct sum of the tensor powers of all degrees.

TV=⨁n=0∞V⊗n=V⊗0⊕V⊗1⊕V⊗2⊕⋯TV = \bigoplus_{n=0}^{\infty} V^{\otimes n} = V^{\otimes 0} \oplus V^{\otimes 1} \oplus V^{\otimes 2} \oplus \cdots

One element is a list holding in turn a real number aa, a vector bμeμb^\mu e_\mu, a rank 2 tensor cμνeμ⊗eνc^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu, a rank 3 tensor, and so on in the slots. Each slot is a different vector space, and addition and scalar multiplication happen inside the slot. (The standard definition collects only the lists with finitely many nonzero slots. This remark was not covered in the lecture.)

Injection maps and the product

Tensors of different ranks are elements of different vector spaces, so they cannot be added. Yet books sometimes write expressions like Bμνeμ⊗eν+AμeμB^{\mu\nu} e_\mu \otimes e_\nu + A^\mu e_\mu. The device that makes this meaningful is the injection map ιn\iota_n. ιn\iota_n puts an element of V⊗nV^{\otimes n} into the nn-th slot of TVTV and fills the rest with 0.

ι2(B)=(0,0,B,0,0,… )\iota_2(B) = (0, 0, B, 0, 0, \dots)

Then ι2(B)+ι4(C)\iota_2(B) + \iota_4(C) is an addition inside TVTV, and adding slot by slot gives (0,0,B,0,C,0,… )(0, 0, B, 0, C, 0, \dots). The sum written in books is really a shorthand for the sum taken after this injection map.

Q. We said adding tensors of different ranks is impossible, so how did it become possible?
A. Inside the original spaces it is still impossible. Instead, we move the two into different slots of the larger space TVTV and use the addition of that larger space. The injection map only places the element as it is, so it creates nothing new.

Multiplication is defined by the tensor product. Taking the tensor product of B∈V⊗iB \in V^{\otimes i} and C∈V⊗jC \in V^{\otimes j} gives an element of V⊗(i+j)V^{\otimes (i+j)}. With the injection maps this product becomes an operation inside TVTV.

ιi(B)⋅ιj(C)=ιi+j(B⊗C)\iota_i(B) \cdot \iota_j(C) = \iota_{i+j}(B \otimes C)

The left side multiplies two elements of TVTV, and the right side is also an element of TVTV. The identity of the product is the list (1,0,0,… )(1, 0, 0, \dots) with 1 in the first slot and 0 elsewhere. For general elements the product is bilinear, so we apply the formula above slot by slot and expand. This is like multiplying polynomials, the difference being that the degrees live in different vector spaces.

Playing with it

The toy below shows this ladder in one place. Pick the scalar ring and see whether you reach a module, a vector space, or an algebra, and in the lower part choose the degrees ii and jj and watch two tensors be put into slots, added, and multiplied. With quaternion scalars it stops at the old-definition vector space, and with a function ring it stops at a module. Turn off 1⋅g=g1 \cdot g = g and no ring gives a module. (Examples in this toy such as Z6\mathbb{Z}_6 and Z5\mathbb{Z}_5 were chosen for illustration and were not covered in the lecture.)

Among the algebras made by taking only some pieces of the tensor algebra, the most important is the exterior algebra, which we will cover soon.

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