Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
Tensor series, part 6: building every tensor product space by changing the number and kind of factors, and why the order of basis and component indices mattersTensor 시리즈 6편: 곱하는 스페이스의 수와 종류를 늘려 가며 모든 텐서 프로덕트 스페이스를 만들고, 기저와 성분의 첨자 순서를 정리
Tensor series텐서 시리즈Part 6 of 4040편 중 6번째
- Tensor #1. Elementary Vector Space텐서 #1. 기초적인 벡터 스페이스
- Tensor #2. Einstein Notation and Maps텐서 #2. 아인슈타인 표기법과 맵
- Tensor #3. Dual Spaces텐서 #3. 듀얼 스페이스
- Tensor #4. Cartesian Products텐서 #4. 카테시안 프로덕트
- Tensor #5. Tensor Products텐서 #5. 텐서 프로덕트
- Tensor #6. Tensor Product Spaces텐서 #6. 텐서 프로덕트 스페이스
- Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크
- Tensor #8. Linear Transformations텐서 #8. 선형 변환
- Tensor #9. Transformations of Tensor Product Spaces텐서 #9. 텐서 프로덕트 스페이스의 변환
- Tensor #10. Metric Spaces텐서 #10. 메트릭 스페이스
- Tensor #11. The Metric Tensor텐서 #11. 메트릭 텐서
- Tensor #12. Contraction and Index Gymnastics텐서 #12. 컨트랙션과 인덱스 짐내스틱스
- Tensor #13. Realization of a Vector Space텐서 #13. 벡터 스페이스의 리얼라이제이션
- Tensor #14. Vector and Tensor Fields텐서 #14. 벡터장과 텐서장
- Tensor #15. Coordinate Transformations텐서 #15. 좌표 변환
- Tensor #16. The Metric Tensor Field텐서 #16. 메트릭 텐서장
- Tensor #17. The Covariant Derivative (Elementary Pedagogy)텐서 #17. 공변 미분 (초보적인 방법)
- Tensor #18. The Covariant Derivative, Continued텐서 #18. 공변미분 이어서
- Tensor #19. Algebraic Structures I텐서 #19. 대수 구조 I
- Tensor #20. Algebraic Structures II: Modules to Algebras텐서 #20. 대수 구조 II: 모듈에서 대수까지
- Tensor #21. The Lie Derivative텐서 #21. 리 미분
- Tensor #22. Invitation to p-forms텐서 #22. p-형식으로의 초대
- Tensor #23. Operations on p-forms: The Exterior Algebra텐서 #23. p-형식의 연산과 외대수
- Tensor #24. The Exterior Derivative: A Formal Introduction텐서 #24. 외미분의 형식적 도입
- Tensor #25. Review of Determinants텐서 #25. 행렬식 복습
- Tensor #26. P-vectors and P-forms Recap텐서 #26. P-벡터와 P-형식 복습
- Tensor #27. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 1텐서 #27. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 1
- Tensor #28. Formal Development of p-forms and p-vectors, Part 2텐서 #28. p-형식과 p-벡터의 정식 전개 2
- Tensor #29. Transformations of Tensors and p-forms텐서 #29. 텐서와 p-형식의 변환
- Tensor #30. Transformation of Forms (Part I)텐서 #30. 형식의 변환 법칙 (1부)
- Tensor #31. Tensor Densities텐서 #31. 텐서 밀도
- Tensor #32. Tensor Density Examples텐서 #32. 텐서 밀도의 예
- Tensor #33. Duality and the Hodge Dual (Part 1)텐서 #33. 쌍대성과 호지 쌍대 (1부)
- Tensor #34. Elementary Hodge Dual Calculations텐서 #34. 호지 쌍대 계산 예
- Tensor #35. Other Notions of Duality텐서 #35. 또 다른 쌍대
- Tensor #36. Visualization of Forms: Arrows and Stacks텐서 #36. 형식의 시각화: 화살표와 스택
- Tensor #37. Tacks and Sheaves, Honeycombs텐서 #37. 압정, 다발, 벌집
- Tensor #38. All Possible Operations텐서 #38. 가능한 모든 연산
- Tensor #39. The End텐서 #39. 마지막 강의
- 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 6강 Tensor Product Spaces에 해당합니다.
지난 편에서 만든 것
지난 편에서는 스페이스 하나를 만들었습니다. 듀얼 스페이스 에서 듀얼 벡터 둘을 꺼내 를 만들고, 가능한 조합을 전부 한 집합에 담은 것이 였습니다. 덧셈과 실수배가 있고 반대 원소와 영원소도 있으니 이 집합은 벡터 스페이스입니다. 그러니 텐서는 벡터입니다. 텐서는 텐서 프로덕트 스페이스에 살고, 텐서 프로덕트 스페이스는 벡터 스페이스이고, 벡터 스페이스의 원소는 모두 벡터이기 때문입니다. (벡터라는 말은 나중에 의 원소만 가리키는 좁은 뜻으로도 쓰이는데, 그 뜻의 벡터는 텐서의 한 종류가 됩니다.)
곱하는 수를 늘립니다
일반화는 놀랄 만큼 쉽습니다. 카테시안 프로덕트에 를 두 번만 곱할 이유가 없습니다. 세 번, 네 번 곱한 곳에서 실수로 가는 맵도 같은 방식으로 정의합니다.
이 맵들을 모은 도 위와 똑같이 벡터 스페이스이고, 곱하는 수가 몇이든 마찬가지입니다. 기저도 같은 방식으로 듀얼 기저를 자리마다 하나씩 늘어놓은 것입니다. 네 개를 곱하면 꼴이고, 차원 4에서 이런 텐서는 개입니다. 곱하는 수가 이고 차원이 이면 기저 텐서는 개입니다. (일반식 는 이 설명을 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.) 임의의 원소는 이렇게 씁니다.
성분 의 첨자는 모두 아래에 있습니다. 기저 가 위 첨자이니 아인슈타인 합 규약에 맞추려면 성분이 아래여야 하기 때문입니다. 이 합 안에는 벡터 스페이스의 두 성질이 함께 들어 있습니다. 합을 하는 것이 덧셈이고, 항마다 앞에 실수 성분이 곱해지는 것이 실수배입니다.
벡터 쪽도 같은 구조입니다
앞에서 보았듯이 벡터 는 듀얼 벡터를 받아 실수를 내주는 맵입니다. 그러니 같은 곳에서 실수로 가는 맵을 만들 수 있고, 그런 맵의 재료는 벡터 두 개를 묶은 입니다. 논리는 같습니다. 가능한 텐서 프로덕트를 전부 모은 집합이고, 이 집합도 텐서 프로덕트 스페이스입니다.
기저는 이고, 이번에는 기저 벡터의 첨자가 아래이니 성분 첨자가 위로 올라갑니다.
듀얼 쪽은 아래 첨자 성분, 벡터 쪽은 위 첨자 성분입니다. 두 쪽은 완전히 대칭이어서 어느 쪽도 덜 정당하지 않습니다.
섞어서 곱합니다
카테시안 프로덕트는 집합이기만 하면 무엇이든 곱합니다. 같은 집합을 되풀이해서 곱해야 한다는 생각은 습관일 뿐이고, 정의에서 쓴 것은 그냥 집합 와 였습니다. 그래서 벡터 스페이스와 듀얼 스페이스를 섞어도 됩니다. 예를 들어 는 벡터 하나와 듀얼 벡터 하나의 순서쌍을 담고, 거기서 실수로 가는 맵의 스페이스는 입니다. 기저 텐서 는 첫째 자리에서 벡터를, 둘째 자리에서 듀얼 벡터를 받습니다. 벡터 와 듀얼 벡터 에 작용시키면 이렇게 됩니다.
자리마다 같은 규칙이 반복됩니다. 듀얼 벡터가 놓인 자리는 벡터를 받고, 벡터가 놓인 자리는 듀얼 벡터를 받습니다. 곱하는 순서와 종류는 얼마든지 섞을 수 있습니다. 아래 장난감에서 직접 짜 맞추어 보세요.
Q. 와 는 같은 스페이스인가요?
A. 다릅니다. 받는 카테시안 프로덕트가 와 로 서로 다른데, 순서쌍은 자리의 순서가 뜻을 가지기 때문입니다. 지난 편에서 와 가 다른 집합이라고 한 것과 같은 이유입니다.
첨자의 순서가 중요합니다
기저 텐서를 적을 때는 자리 순서가 이미 보입니다. 같은 곱을 보면 첫째는 듀얼, 둘째는 벡터, 셋째는 듀얼이라는 것이 한눈에 드러납니다. 그러니 성분 의 첨자는 어느 기저에 붙는지만 알려 주면 되고, 첨자 순서가 뒤섞여도 기저가 곁에 있으면 헷갈릴 일이 없습니다.
그런데 교과서들은 기저를 들고 다니지 않습니다. 일반 상대성 이론을 비롯한 고전적인 글은 거의 성분만 들고 다니면서 첨자를 다루는 규칙을 따로 만들어 씁니다. 기저가 하는 일이 성분 속에 이미 다 들어 있으니 기저가 군더더기로 보이게 됩니다. 이 규칙이 제대로 돌아가려면 성분이 자기 첨자의 순서를 스스로 지켜야 합니다. 그래서 위와 같은 텐서의 성분은 처럼 위아래 위치와 순서를 함께 적습니다.
Q. 기저에 순서가 이미 있는데, 성분 첨자의 순서까지 굳이 지켜야 하나요?
A. 기저를 쓰는 동안에는 필요가 없지만, 이 시리즈가 가는 길은 기저를 떼어 내고 성분만 다루는 쪽입니다. 그때가 되면 순서를 알려 주는 것이 첨자뿐이니 처음부터 순서를 지켜 적어 두어야 합니다.
스페이스 와 도 텐서 프로덕트 스페이스입니다
곱하는 수가 하나뿐인 경우도 이 안에 들어갑니다. 벡터는 듀얼 벡터를 하나 받아 실수를 내주는 맵이고, 듀얼 벡터는 벡터를 하나 받아 실수를 내주는 맵입니다. 이것들은 순서쌍이 한 칸뿐인 카테시안 프로덕트에서 오는 맵이어서, 텐서 프로덕트 스페이스의 가장 단순한 경우입니다. 곱하는 스페이스의 수를 랭크라고 부르고, 벡터와 듀얼 벡터는 랭크 1인 텐서입니다. 섞어서 곱한 텐서의 랭크는 조금 설명이 필요하니 다음 편으로 미룹니다.
다음 편에서는 랭크를 제대로 정의하고, 이런 텐서가 벡터 쌍과 듀얼 벡터 쌍에 어떻게 작용하는지 계산해 봅니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 6 of the playlist, Tensor Product Spaces.
What we built last time
In the previous post we built one space. We took two dual vectors from the dual space , formed , and put every possible combination into one set, . It has addition and multiplication by real numbers, and it also has opposite elements and a zero element, so this set is a vector space. Therefore a tensor is a vector. Tensors live in tensor product spaces, tensor product spaces are vector spaces, and every element of a vector space is a vector. (Later the word vector is also used in a narrower sense for the elements of only, and a vector in that sense is one kind of tensor.)
Multiply more of them
The generalization is surprisingly easy. There is no reason to multiply into the Cartesian product only twice. We define maps from a product of three or four copies to the real numbers in the same way.
The collection of these maps, , is a vector space exactly as before, and so it is for any number of factors. The basis is built the same way too: one dual basis vector per slot. With four factors it has the form , and in dimension 4 there are such tensors. With factors and dimension there are basis tensors. (The general formula is added for this explanation and was not covered in the lecture.) An arbitrary element is written like this.
All indices of the components are down. The basis has an upper index, so for the Einstein summation convention to work the components must be lower. This sum holds both properties of a vector space. Summing is the addition, and the real-number component in front of each term is the scalar multiplication.
The vector side has the same structure
As we saw earlier, a vector is a map that takes a dual vector and gives a real number. So we can build maps from something like to the real numbers, and the material for such maps is , which ties two vectors together. The logic is the same. It is the set of all possible tensor products, and this set is a tensor product space too.
The basis is , and this time the basis index is down, so the component indices go up.
The dual side has lower-index components and the vector side has upper-index components. The two sides are fully symmetric, and neither is less legitimate.
Mixing them
The Cartesian product multiplies any sets at all. The idea that we must multiply the same set again and again is only a habit; the definition used plain sets and . So we may mix the vector space and the dual space. For example holds ordered pairs of one vector and one dual vector, and the space of maps from it to the real numbers is . The basis tensor takes a vector in the first slot and a dual vector in the second. Applied to a vector and a dual vector it gives this.
The same rule repeats in every slot. A slot holding a dual vector takes a vector, and a slot holding a vector takes a dual vector. The order and kinds of the factors can be mixed freely. Assemble one yourself in the toy below.
Q. Are and the same space?
A. No. The Cartesian products they take, and , are different, because the order of the slots carries meaning in an ordered pair. It is the same reason we gave last time for and being different sets.
The order of the indices matters
When we write a basis tensor, the order of the slots is already visible. In a product like we can see at a glance that the first is dual, the second is a vector, and the third is dual. So the indices of the component only have to say which basis they attach to, and even if the index order got mixed up, nothing would be confusing while the basis stands beside it.
But classical texts do not carry the basis around. General relativity and its relatives carry almost only the components and use separate rules for handling the indices. Everything the basis does is already contained in the components, so the basis begins to look redundant. For those rules to work, the components must keep the order of their indices by themselves. That is why the components of such a tensor are written with both the position and the order, as in .
Q. The basis already has an order, so why must the component indices keep it as well?
A. While we use the basis we do not need it, but this series is heading toward dropping the basis and working with components alone. By then the indices are the only thing that tells the order, so we have to write them in order from the start.
The spaces and are tensor product spaces too
The case of a single factor fits in here as well. A vector is a map that takes one dual vector and gives a real number, and a dual vector is a map that takes one vector and gives a real number. These come from Cartesian products with only one slot in each ordered pair, so they are the simplest tensor product spaces. The number of spaces multiplied is called the rank, and vectors and dual vectors are tensors of rank 1. The rank of a mixed tensor needs a little more explanation, so I leave it for the next post.
In the next post we define rank properly and compute how such tensors act on a pair of vectors or of dual vectors.
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