Tensor #7. Rank of Tensor Product Spaces텐서 #7. 텐서 프로덕트 스페이스의 랭크

Tensor series, part 7: defining the rank (p, q) of a tensor from the vectors-first convention, and computing how a basis tensor acts on its inputs while deltas remove the indicesTensor 시리즈 7편: 벡터와 듀얼 벡터의 순서 관례로 텐서의 랭크 (p, q)를 정의하고, 기저 텐서가 입력에 작용하며 델타가 첨자를 지우는 과정을 계산

Tensor series텐서 시리즈Part 7 of 4040편 중 7번째
  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 7강 Rank of Tensor Product Spaces에 해당합니다.

지난 편의 정리

지난 편에서 텐서 프로덕트 스페이스tensor product space를 원하는 만큼 곱한 모양으로 키웠습니다. 듀얼 스페이스끼리 곱한 것, 벡터 스페이스끼리 곱한 것, 둘을 섞어 곱한 것이 모두 같은 방식으로 정의되는 맵이고, 전부 실수로 가는 맵이니 구분할 이유가 별로 없습니다. 그리고 벡터 스페이스 V\V와 듀얼 스페이스 V∗\V^* 자신도 곱하는 수가 하나뿐인 퇴화한degenerate 텐서 프로덕트 스페이스입니다. V\V의 원소는 V∗\V^*에서 실수로, V∗\V^*의 원소는 V\V에서 실수로 가는 맵이기 때문입니다.

기저와 성분을 적어 두기

곱한 수가 넷일 때의 기저와 성분을 몇 가지 적어 둡니다. 듀얼 스페이스 넷의 곱은 기저 eμ⊗eν⊗eδ⊗eλe^\mu \otimes e^\nu \otimes e^\delta \otimes e^\lambda에 성분 TμνδλT_{\mu\nu\delta\lambda}가 붙고, 벡터 스페이스 넷의 곱은 기저 eμ⊗eν⊗eδ⊗eλe_\mu \otimes e_\nu \otimes e_\delta \otimes e_\lambda에 성분 SμνδλS^{\mu\nu\delta\lambda}가 붙습니다. 섞어서 벡터 둘 뒤에 듀얼 둘을 곱하면 성분은 RμνδλR^{\mu\nu}{}_{\delta\lambda}입니다. 성분은 기저 벡터의 순서를 따라 첨자가 놓이고, 순서가 모호하지 않게 위아래 위치에 더해 좌우 순서도 지킵니다. 기저가 있으면 순서가 이미 정해지지만, 곧 성분만 쓰게 되기 때문에 순서를 성분에도 남겨 둡니다.

랭크

텐서의 랭크rank를 정의합니다. 약속은 이렇습니다. 곱할 때 벡터가 항상 앞에, 듀얼 벡터가 항상 뒤에 옵니다. 벡터가 하나도 없거나 듀얼 벡터가 하나도 없는 것은 괜찮지만, 둘이 섞일 때는 벡터가 먼저여야 합니다. 이 순서로 놓인 곱만 텐서라고 부르고, 랭크는 두 수로 적습니다.

랭크=(벡터의 수, 듀얼 벡터의 수)\text{랭크} = (\text{벡터의 수},\ \text{듀얼 벡터의 수})

벡터는 (1,0)(1, 0), 듀얼 벡터는 (0,1)(0, 1)입니다. 벡터 둘 뒤에 듀얼 벡터 둘이 오는 V⊗V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V \otimes \V^* \otimes \V^*는 (2,2)(2, 2)이고, 듀얼 벡터 넷의 곱은 (0,4)(0, 4), 벡터 넷의 곱은 (4,0)(4, 0)입니다. 랭크는 앞의 수가 벡터의 수, 뒤의 수가 듀얼 벡터의 수라고 읽습니다. 이렇게 읽는 것은 벡터가 먼저라는 관례를 믿고 있기 때문입니다.

어떤 랭크를 가진 가능한 모든 텐서의 모음은 그 랭크로 이름을 붙입니다. 이 글에서는 T(p,q)\mathcal{T}^{(p,q)}로 적겠습니다(기호는 이 글에서 정한 것입니다). V⊗V∗\V \otimes \V^*는 T(1,1)\mathcal{T}^{(1,1)}이고, V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V^* \otimes \V^*는 T(1,2)\mathcal{T}^{(1,2)}입니다.

듀얼 벡터가 앞에 오는 V∗⊗V\V^* \otimes \V 같은 곱은 어떨까요? 잘 정의된 다중 선형 맵multilinear map이고 우리가 아는 방식으로 똑같이 작용합니다. 다만 이것은 텐서라고 부르지 않고 위의 형식으로는 랭크도 적을 수 없습니다. 랭크가 의미를 가지려면 순서에 규칙이 있어야 하기 때문이라고 생각합니다. 모든 것이 다중 선형 맵이라는 점은 똑같습니다.

Q. 랭크는 두 수의 합이 아닌가요?
A. 이 강의에서 랭크는 (p,q)(p, q) 두 수 한 쌍입니다. 두 수를 더한 p+qp + q를 랭크라고 부르는 책도 많으니, 책을 읽을 때는 어느 쪽 뜻인지 확인해야 합니다. (합을 쓰는 책이 많다는 설명은 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

텐서가 입력에 작용하는 모습

V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V^* \otimes \V^*의 기저 텐서 eμ⊗eν⊗eλe_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda가 입력에 작용하는 것을 직접 계산해 봅시다. 이 텐서는 V∗×V×V\V^* \times \V \times \V의 원소 (β,v,w)(\beta, v, w)를 받습니다. 첫째 자리는 듀얼 벡터를, 나머지는 벡터를 받습니다. 입력을 성분으로 풀어 씁니다.

β=bηeη,v=aδeδ,w=cγeγ\beta = b_\eta e^\eta, \qquad v = a^\delta e_\delta, \qquad w = c^\gamma e_\gamma

곱의 첫째 조각은 첫째 자리에, 둘째 조각은 둘째 자리에, 셋째 조각은 셋째 자리에 작용합니다. 선형이니 계수는 앞으로 나옵니다.

⟨eμ⊗eν⊗eλ,(β,v,w)⟩=bη aδ cγ ⟨eη,eμ⟩ ⟨eν,eδ⟩ ⟨eλ,eγ⟩\map{e_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda}{(\beta, v, w)} = b_\eta\, a^\delta\, c^\gamma\ \map{e^\eta}{e_\mu}\,\map{e^\nu}{e_\delta}\,\map{e^\lambda}{e_\gamma}

듀얼 기저의 정의에 따라 각 짝은 델타 기호입니다. ⟨eη,eμ⟩=δημ\map{e^\eta}{e_\mu} = \delta^\eta{}_\mu이므로 이렇게 정리됩니다.

bη aδ cγ δημ δνδ δλγ=bμ aν cλb_\eta\, a^\delta\, c^\gamma\ \delta^\eta{}_\mu\, \delta^\nu{}_\delta\, \delta^\lambda{}_\gamma = b_\mu\, a^\nu\, c^\lambda

델타가 첨자를 하나씩 지워서 실수 세 개의 곱만 남았습니다. 델타가 첨자로도, 델타 함수로도 쓰여서 헷갈리지만 어느 쪽인지는 문맥으로 알 수 있습니다. 숫자를 넣어 직접 보세요.

기저 없이 계산하기

계산을 한 번 해 보면 이 일이 늘 똑같이 일어난다는 것이 보입니다. 델타가 나오고, 델타로 첨자를 바꾸고, 기저 벡터는 사라집니다. 기저 텐서가 아닌 임의의 텐서 TμνλT^{\mu}{}_{\nu\lambda}를 넣었다면 앞에 성분이 붙어서 결과는 이렇게 됩니다.

Tμνλ bμ aν cλT^{\mu}{}_{\nu\lambda}\, b_\mu\, a^\nu\, c^\lambda

그러니 텐서 프로덕트 스페이스의 기저도, 입력 벡터들의 기저도 쓰지 않고 이 식을 처음부터 곧바로 써도 됩니다. 델타를 한 번도 만나지 않고 첨자를 맞추는 요령만으로 같은 곳에 도착합니다. 대부분의 일반 상대성 이론 교과서가 이 방식으로 진행하고, 그래서 맵이 실제로 일어나는 모습은 보이지 않습니다.

Q. 기저 벡터가 없는데 이 계산이 정말 같은 값인가요?
A. 같은 값입니다. 위에서 한 계산이 바로 기저가 있을 때의 풀이이고, 델타가 늘 같은 결과를 내므로 기저를 건너뛰고 첨자만 맞춘 것입니다. 위 장난감 맨 아래 두 값이 언제나 같은 것이 그 증거입니다.

Q. 교과서는 왜 요령부터 가르칠까요?
A. 기저를 쓰지 않으면 계산이 짧아지기 때문입니다. 대신 “혼합 텐서mixed tensor 하나에 공변covariant 벡터 하나와 반변contravariant 벡터 둘이 작용한다” 같은 말이 아직 정의되지 않은 용어로 곧바로 나옵니다. 이 시리즈에서는 공변과 반변이 무엇인지도 앞으로 차근차근 정의합니다.

다음 편에서는 텐서 이야기를 잠시 접고, 하나의 벡터 스페이스 안에서 기저를 바꾸는 선형 변환을 봅니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is Tensor lectures. This post covers lecture 7 of the playlist, Rank of Tensor Product Spaces.

Recap

In the previous post we grew the tensor product space to as many factors as we like. Products of dual spaces, products of vector spaces, and mixed products are all maps defined in the same way, and since all of them go to the real numbers, there is little reason to separate them. And the vector space V\V and the dual space V∗\V^* themselves are degenerate tensor product spaces with just one factor. An element of V\V is a map from V∗\V^* to the reals, and an element of V∗\V^* is a map from V\V to the reals.

Writing down bases and components

Let me write down the basis and components for a few products of four factors. The product of four dual spaces has the basis eμ⊗eν⊗eδ⊗eλe^\mu \otimes e^\nu \otimes e^\delta \otimes e^\lambda with components TμνδλT_{\mu\nu\delta\lambda}, and the product of four vector spaces has the basis eμ⊗eν⊗eδ⊗eλe_\mu \otimes e_\nu \otimes e_\delta \otimes e_\lambda with components SμνδλS^{\mu\nu\delta\lambda}. Mixing, with two vectors followed by two dual vectors, the components are RμνδλR^{\mu\nu}{}_{\delta\lambda}. The indices of the components follow the order of the basis vectors, and to keep the order unambiguous we keep the left-to-right order as well as the up and down positions. With a basis present the order is already fixed, but soon we will write only components, so we keep the order in them too.

Rank

Now we define the rank of a tensor. The convention is this: vectors always come first and dual vectors always come last in the product. It is fine to have no vectors or no dual vectors at all, but when the two are mixed, vectors come first. Only products arranged in this order are called tensors, and the rank is written as two numbers.

rank=(number of vectors, number of dual vectors)\text{rank} = (\text{number of vectors},\ \text{number of dual vectors})

A vector is (1,0)(1, 0) and a dual vector is (0,1)(0, 1). V⊗V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V \otimes \V^* \otimes \V^*, two vectors followed by two dual vectors, is (2,2)(2, 2), a product of four dual vectors is (0,4)(0, 4), and a product of four vectors is (4,0)(4, 0). We read a rank with the first number as the number of vectors and the second as the number of dual vectors. That reading relies on the convention that vectors come first.

The set of all tensors of a given rank is named by that rank. In this post I will write it T(p,q)\mathcal{T}^{(p,q)} (this notation is my own choice here). V⊗V∗\V \otimes \V^* is T(1,1)\mathcal{T}^{(1,1)} and V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V^* \otimes \V^* is T(1,2)\mathcal{T}^{(1,2)}.

What about a product with a dual vector first, such as V∗⊗V\V^* \otimes \V? It is a well-defined multilinear map and it acts in the same way we know. But it is not called a tensor, and we cannot write its rank in the form above. I think the reason is that a rank only makes sense if the order follows a rule. That everything here is a multilinear map stays the same.

Q. Isn’t the rank the sum of the two numbers?
A. In this lecture the rank is the pair (p,q)(p, q). Many books call the sum p+qp + q the rank, so when reading a book you have to check which meaning it uses. (The remark that many books use the sum is added here and was not covered in the lecture.)

How a tensor acts on its inputs

Let us compute directly how the basis tensor eμ⊗eν⊗eλe_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda of V⊗V∗⊗V∗\V \otimes \V^* \otimes \V^* acts on inputs. This tensor takes an element (β,v,w)(\beta, v, w) of V∗×V×V\V^* \times \V \times \V. The first slot takes a dual vector and the others take vectors. We expand the inputs in components.

β=bηeη,v=aδeδ,w=cγeγ\beta = b_\eta e^\eta, \qquad v = a^\delta e_\delta, \qquad w = c^\gamma e_\gamma

The first piece of the product acts on the first slot, the second piece on the second, and the third piece on the third. Everything is linear, so the coefficients come to the front.

⟨eμ⊗eν⊗eλ,(β,v,w)⟩=bη aδ cγ ⟨eη,eμ⟩ ⟨eν,eδ⟩ ⟨eλ,eγ⟩\map{e_\mu \otimes e^\nu \otimes e^\lambda}{(\beta, v, w)} = b_\eta\, a^\delta\, c^\gamma\ \map{e^\eta}{e_\mu}\,\map{e^\nu}{e_\delta}\,\map{e^\lambda}{e_\gamma}

By the definition of the dual basis, each pairing is a delta symbol. Since ⟨eη,eμ⟩=δημ\map{e^\eta}{e_\mu} = \delta^\eta{}_\mu, this simplifies as follows.

bη aδ cγ δημ δνδ δλγ=bμ aν cλb_\eta\, a^\delta\, c^\gamma\ \delta^\eta{}_\mu\, \delta^\nu{}_\delta\, \delta^\lambda{}_\gamma = b_\mu\, a^\nu\, c^\lambda

The deltas removed the indices one by one and left only a product of three real numbers. The delta is used both as an index and as the delta function, which is confusing, but the context tells which is which. Put numbers in and watch it yourself.

Computing without the basis

Doing the computation once shows that this always happens the same way. Deltas appear, the deltas change the indices, and the basis vectors disappear. If we had put in an arbitrary tensor TμνλT^{\mu}{}_{\nu\lambda} rather than a basis tensor, its components would stand in front and the result would be this.

Tμνλ bμ aν cλT^{\mu}{}_{\nu\lambda}\, b_\mu\, a^\nu\, c^\lambda

So we can write this expression right from the start without the basis of the tensor product space and without the bases of the input vectors. We arrive at the same place just by the knack of matching indices, never meeting a delta. Most general relativity textbooks proceed this way, and so you never see what the map is really doing.

Q. There are no basis vectors here. Is this calculation really the same value?
A. It is the same value. The calculation above is the solution with the basis present, and since the deltas always give the same result, matching only the indices skips the basis. The two values at the bottom of the toy above always agreeing is the evidence.

Q. Why do textbooks teach the knack first?
A. Because skipping the basis makes calculations shorter. In return, phrases such as “a mixed tensor acts on one covariant vector and two contravariant vectors” appear at once with terms not yet defined. In this series we will also define covariant and contravariant step by step.

In the next post we set tensors aside for a moment and look at linear transformations, which change the basis within a single vector space.

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