什么是Tensor?(张量) Dan Fleisch视频学习记录

想要对Tensor有深入的了解,必须对Vector有一个清晰的认知。

本文是对Dan Fleisch视频的总结
B站视频链接(有中文字幕):

【科普向/中英字幕】What's a Tensor? 张量简介

原版youtube视频:https://www.youtube.com/watch?v=f5liqUk0ZTw

多图预警!!!!

Vector

我们一般的认知中,向量一般都是一个箭头,用来表示的一个既有magnitude,又有direction的物理量,比如说重力、速度、磁力等,通常来说,箭头的长度表示magnitude,箭头的指向为direction。
什么是Tensor?(张量) Dan Fleisch视频学习记录

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什么是Tensor?(张量) Dan Fleisch视频学习记录
需要注意的是,除此之外,向量还可以表示一个平面!!!表示的方式就是让向量代表垂直于这个平面度的方向(也就是法向量)。因此,向量可以表示的东西就会扩充到:平面!

Tensor

分量(Componets)和基向量(basis)

为了更细致的搞清楚两个变量,引入了笛卡尔坐标系。
什么是Tensor?(张量) Dan Fleisch视频学习记录
基向量:其长度为“1”,是用来描述长度的基础单位,其方向就是我们笛卡尔坐标系的方向。

那么如何确定分量呢?视频中Dan Fleisch通过投影对这个进行了解释,最终得到那个大箭头向量由4个x基向量,3个y基向量与0个z基向量构成。所以我们可以用4个x,3个y,0个z来表示那个大箭头向量。
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如果大家默认使用同样一套基向量,那么可以将基向量省略掉,使用三个小方块对向量进行表示。此时不管怎么对这三个分量排列都可以~
你可以把三个方块横着摆放,得到一个数组;
也可以把他们竖着摆放,加上两个括号,就变成了我们常见的列向量!!!
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一阶张量

对于一个向量A来说,我们用 Ax,Ay,AzA_x,A_y,A_z 来表示这三个分量,分别对应向量A在x,y,z基向量方向上的分量。
由于每个分量只有一个方向的指示符,也就是说一个基失。这就是为什么矢量被称为是一阶张量
同理,我们可以说标量是0阶张量,因为对于标量来说,没有方向指示符,所以不需要指标。
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高阶张量

什么是Tensor?(张量) Dan Fleisch视频学习记录
上图所示的是一个在三维空间的2阶张量!在这个图中,包含有9个基向量(箭头)和9个分量(方块)。
同时在图中可以看到,每个小方块下面有两个坐标。
可是为什么会有两个下标呢?视频中以固体内部的力进行举例说明。
在固体内部,包含有X、Y、Z三个方向的曲面面积矢量,每个方向的曲面可能受到X、Y、Z三个方向的力。

什么是Tensor?(张量) Dan Fleisch视频学习记录
继续进一步扩充,现在这个例子中,是三维空间的三维矢量,每个分量有三个下标,而所有下标的组合有27中,因此其有27个分量。

总结

1、什么是张量?
张量是一种表示物理量的方式,这个方式就是用基向量与分量组合表示物理量(Combination of basis vector and component)。
2、张量有什么用呢?
张量所描述的物理量是不随观察者或者说参考系而变化的,当参考系变化时(其实就是基向量变化),其分量也会相应变化,最后结果就是基向量与分量的组合(也就是张量)保持不变。