Τανυστής

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Μετάβαση σε: πλοήγηση, αναζήτηση
Tανυστής τάσεων του Cauchy, ένας τανυστής 2ης τάξης. Οι συνιστώσες του, σε ένα τρισδιάστατο καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων, σχηματίζουν τον πίνακα
\begin{align}\sigma & = \begin{bmatrix}\mathbf{T}^{(\mathbf{e}_1)} \mathbf{T}^{(\mathbf{e}_2)} \mathbf{T}^{(\mathbf{e}_3)} \\ \end{bmatrix} \\& = \begin{bmatrix} \sigma_{11} & \sigma_{12} & \sigma_{13} \\ \sigma_{21} & \sigma_{22} & \sigma_{23} \\ \sigma_{31} & \sigma_{32} & \sigma_{33} \end{bmatrix}\\\end{align}
του οποίου οι στήλες είναι οι τάσεις (δύναμη ανά μονάδα όγκου) που δρουν στις πλευρές του κύβου οι οποίες είναι κάθετες στα αντίστοιχα μοναδιαία διανύσματα e1, e2 και e3


τανυστές (tensors) είναι γεωμετρικά αντικείμενα που μπορούν να θεωρηθούν ως γενικευμένα διανύσματα. Περιγράφουν γραμμικές σχέσεις ανάμεσα σε διανύσματα, βαθμωτά μεγέθη και άλλους τανυστές. Βασικά παραδείγματα τέτοιων σχέσεων περιλαμβάνουν το εσωτερικό γινόμενο, το εξωτερικό γινόμενο και γραμμικούς μετασχηματισμούς. Τα διανύσματα και τα βαθμωτά μεγέθη είναι επίσης τανυστές.

Οι τανυστές χρησιμοποιούνται για να αναπαραστήσουν αντιστοιχίες ανάμεσα σε σύνολα γεωμετρικών διανυσμάτων. Για παράδειγμα, ο τανυστής τάσεων Cauchy T παίρνει τη διέυθυνση v σαν εισερχόμενα δεδομένα (input) και παράγει τις τάσεις T(v) στην επιφάνεια κάθετα σε αυτό το διάνυσμα σαν εξερχόμενα δεδομένα (output), εκφράζοντας έτσι τη σχέση μεταξύ αυτών των δύο διανυσμάτων, όπως φαίνεται και στο σχήμα (δεξιά).

Ένας τανυστής μπορεί να απεικονιστεί σαν μία πολυδιάστατη διάταξη αριθμητικών τιμών. Η τάξη (ή βαθμός) ενός τανυστή είναι η διαστατικότητα της διάταξης που χρειάζεται για να τον απεικονίσει ή ισοδύναμα, ο αριθμός των δεικτών που χρειάζονται για να ονοματιστεί και να διαχωριστεί ένα στοιχείο αυτής της διάταξης. Για παράδειγμα, ένας γραμμικός μετασχηματισμός μπορεί να απεικονιστεί από ένα μητρώο (πίνακα), μία δισδιάστατη διάταξη και επομένως είναι τανυστής 2ης τάξης. Ένα διάνυσμα μπορεί να απεικονιστεί σαν μία μονοδιάστατη διάταξη (μητρώο μίας στήλης) και είναι τανυστής 1ης τάξης. Τα βαθμωτά μεγέθη είναι απλοί αριθμοί και συνεπώς τανυστές μηδενικής τάξης.

Επειδή εκφράζουν σχέση μεταξύ διανυσμάτων, οι ίδιοι οι τανυστές πρέπει να είναι ανεξάρτητοι της επιλογής ενός συγκεκριμένου συστήματος συντεταγμένων. Παίρνοντας ένα συστήμα συντεταγμένων αναφοράς και εφαρμόζοντας σε αυτό τον τανυστή, προκύπτει μία οργανωμένη πολυδιάστατη διάταξη που απεικονίζει τον τανυστή σε αυτό το σύστημα αναφοράς. Η ανεξαρτησία συστήματος συντεταγμένων ενός τανυστή παίρνει τότε τη μορφή ενός νόμου συναλλοίωτου μετασχηματισμού, που συσχετίζει τη διάταξη που υπολογίζεται στο ένα σύστημα με αυτήν που υπολογίζεται σε κάποιο άλλο. Αυτός ο μετασχηματισμός θωρείται ότι δημιουργείται μέσα στην ιδέα του τανυστή σε ένα γεωμετρικό ή φυσικό χώρο και η ακριβής μορφή του μετασχηματισμού προσδιορίζει τον τύπο (ή σθένος) του τανυστή.

Oι τανυστές είναι σημαντικοί στη φυσική επειδή παρέχουν ένα συνοπτικό μαθηματικό πλαίσιο για το σχηματισμό και την επίλυση φυσικών προβλημάτων, σε περιοχές όπως ελαστικότητα, ρευστομηχανική και γενική σχετικότητα. Oι τανυστές εισήχθηκαν για πρώτη φορά από τον Tullio Levi-Civita και τον Gregorio Ricci-Curbastro, οι οποίοι συνέχισαν το προγενέστερο έργο του Bernhard Riemann και του Elwin Bruno Christoffel και υπολοίπων, σαν μέρος του απόλυτου διαφορικού λογισμού. Η σύλληψή τους επέτρεψε μια εναλλακτική διαμόρφωση της διαφορικής γεωμετρίας με φυσικές συντεταγμένες σαν πολλαπλότητα στη μορφή του τανυστή καμπυλότητας Riemann.[1]

Ιστορία[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι ιδέες για την μεταγενέστερη τανυστική ανάλυση ξεκίνησε από τη δουλειά του Carl Friedrich Gauss στη διαφορική γεωμετρία και ο σχηματισμός τους επηρεάστηκε κατά πολύ από την θεωρία αλγεβρικών μορφών και αναλλοίωτων που αναπτύχθηκε στο μέσο του 19ου αιώνα.[2] Η λέξη "τανυστής" εισήχθηκε το 1846 από τον William Rowan Hamilton[3] για να περιγράψει κάτι διαφορετικό από αυτό που σημαίνει τώρα.[Note 1] Η σύγρονη χρήση ήρθε από τον Woldemar Voigt το 1898.[4]

Ο τανυστικός λογισμός αναπτύχθηκε γύρω στο 1890 από τον Gregorio Ricci-Curbastro με την ονομασία απόλυτος διαφορικός λογισμός, και αρχικά παρουσιάστηκε από τον Ricci το 1892.[5] Έγινε προσιτός σε πολλούς μαθηματικούς με την δημοσίευση του Ricci και του Tullio Levi-Civita στο κλασικό κείμενο Μέθοδοι απόλυτου διαφορικού λογισμού και οι εφαρμογές τους.[6]

Στον 20ο αιώνα, το αντικείμενο έγινε γνωστό σαν τανυστική ανάλυση και επιτέυχθηκε ευρύτερη αποδοχή με την εισαγωγή της γενική σχετικότητας του Albert Einstein, γύρω στο 1915. Η γενική σχετικότητα σχηματίστηκε ολοκληρωτικά στη γλώσσα των τανυστών. Ο Einstein είχε μάθει γι αυτούς, με μεγάλη δυσκολία, από τον μαθηματικό γεωμετρίας Marcel Grossmann.[7] Ο Levi-Civita ξεκίνησε τότε μια συνεργασία με τον Einstein, για να διορθώσει τα λάθη που ο Einstein είχε κάνει στη χρήση της τανυστικής του ανάλυσης. Η συνεργασία διήρκησε κατά τα χρόνια 1915–17 και χαρακτηριζόταν από αμοιβαίο σεβασμό:

"Θαυμάζω την κομψότητα της μεθόδου υπολογισμού σου. Πρέπει να είναι ωραίο να διασχίζεις αυτά τα πεδία πάνω στο άλογο των πραγματικών μαθηματικών, ενώ εμείς πρέπει να βγάλουμε το δρόμο κουραστικά με τα πόδια." Albert Einstein The Italian Mathematicians of Relativity [8]

Οι τανυστές επίσης φάνηκαν χρήσιμοι σε άλλα πεδία, όπως μηχανική συνεχούς μέσου (Continuum mechanics). Μερικά πολύ γνωστά παραδείγματα τανυστών στη διαφορική γεωμετρία είναι σε τετραγωνική μορφή, όπως οι μετρικοί τανυστές και ο τανυστής καμπυλότητας Riemann. Η εξωτερική άλγεβρα του Hermann Grassmann, από τα μέσα του 19ου αιώνα, είναι η ίδια μια τανυστική θεωρία και εξαιρετικά γεωμετρική, αλλά πέρασε κάποιος χρόνος μέχρι να θεωρηθεί μαζί με τη θεωρία των διαφορικών μορφών, σαν φυσικά ενοποιημένη με τον τανυστικό λογισμό. Το έργο του Élie Cartan έκανε τις διαφορικές μορφές από τα βασικά είδη τανυστών που χρησιμοποιούνται στα μαθηματικά.

Περίπου από το 1920 και μετά, συνειδητοποιήθηκε ότι οι τανυστές παίζουν βασικό ρόλο στην αλγεβρική τοπολογία (για παράδειγμα στο θεώρημα Künneth).[εκκρεμεί παραπομπή] Αντίστοιχα υπάρχουν τύποι τανυστών στο έργο πολλών κλάδων της αφηρημένης άλγεβρας, συγκεκριμένα στην ομολογική άλγεβρα και θεωρία απεικόνισης. Η πολυγραμμική άλγεβρα μπορεί να αναπτυχθεί σε μεγαλύτερη γενικότητα από τα βαθμωτά μεγέθη που προέρχονται από ένα πεδίο, αλλά η θεωρία είναι τότε σίγουρα λιγότερο γεωμετρική και οι υπολογισμοί περισσότερο τεχνικοί και λιγότερο αλγοριθμικοί. Οι τανυστές γενικεύονται μέσα στο θεώρημα κατηγορίας μέσω της έννοιας της μονοειδούς κατηγορίας, από τη δεκαετία του 1960.

Ορισμός[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Υπάρχουν αρκετές προσεγγίσεις για να οριστούν οι τανυστές. Αν και φαινομενικά διαφορετικές, οι προσεγγίσεις απλώς περιγράφουν την ίδια γεωμετρική ιδεά χρησιμοποιώντας διαφορετικές γλώσσες και σε διαφορετικά επίπεδα σκέψης.

Σαν πολυδιάστατες διατάξεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ακριβώς όπως ένα βαθμωτό πεδίο περιγράφεται από έναν μόνο αριθμό και ένα διάνυσμα σε σχέση με μία δεδομένη βάση περιγράφεται από μια μονοδιάστατη σειρά, έτσι και οποιαδήποτε τανυστής σε σχέση με μία βάση περιγράφεται από μία πολυδιάστατη διάταξη. Τα νούμερα στη διάταξη είναι γνωστά ως βαθμωτές συνιστώσες του τανυστή ή απλά οι συνιστώσες του. Αυτές υποδηλώνονται από δείκτες που δείχνουν τη θέση τους στη διάταξη, σε άνω και κάτω δείκτες, μετά το συμβολικό όνομα του τανυστή. Ο συνολικός αριθμός των δεικτών που απαιτείται για να επιλογεί ξεχωριστά η κάθε συνιστώσα, είναι ίσος με τη διαστατικότητα της διάταξης και ονομάζεται τάξη ή βαθμός του τανυστή.[Note 2] Για παράδειγμα, τα στοιχεία που εισάγονται σε ένα τανυστή T 2ης τάξης θα υποδηλώνονται ως Tij,όπου i και j είναι οι δείκτες από 1 μέχρι τη διάσταση του σχετικού διανυσματικού χώρου. [Note 3]

Ακριβώς όπως οι συνιστώσες ενός διανύσματος αλλάζουν όταν αλλάζει η βάση του διανυσματικού χώρου, τα στοιχεία που εισάγονται σε ένα τανυστή θα πρέπει επίσης να αλλάζουν κάτω από ένα τέτοιο μετασχηματισμό. Κάθε τανυστής είναι εφοδιασμένος με ένα νόμο μετασχηματισμού που προσδιορίζει επακριβώς πως οι συνιστώσες του τανυστή ανταποκρίνονται σε μία αλλαγή βάσης. Οι συνιστώσες ενός διανύσμαυτος μπορούν να ανταποκρίνονται με δύο χαρακτηριστικούς τρόπους σε μία αλλαγή βάσης (συναλλοίωτος και ανταλλοίωτος διανυσμάτων), όπου τα νέα διανύσματα βάσης \mathbf{\hat{e}}_i εκφράζονται σε όρους των παλιών διανυσμάτων βάσης \mathbf{e}_j σαν

\mathbf{\hat{e}}_i = \sum_j R^j_i \mathbf{e}_j = R^j_i \mathbf{e}_j,

όπου Ri j είναι ένας πίνακας μετασχηματισμού, ενώ στη δεύτερη έκφραση το σύμβολο της πρόσθεσης παραλείπεται (μια βολική σύμβαση που εισήχθηκε από τον Einstein που θα χρησιμοποιηθεί σε όλο αυτό το άρθρο). Οι συνιστώσες, vi, ενός συνηθισμένου διανύσματος (ή διανύσματος στήλης) v, μετασχηματίζονται με τον αντίστροφο του πίνακα R,

\hat{v}^i = (R^{-1})^i_j v^j,

όπου το καπέλο δηλώνει τις συνιστώσες στη νέα βάση, ενώ οι συνιστώσες, wi,ενός συν-διανύσματος(ή διάνυσμα σειράς), w μετασχηματίζεται με τον ίδιο τον πίνακα R,

\hat{w}_i = R_i^j w_j.

Oι συνιστώσες ενός τανυστή μετασχηματίζονται με παρόμοιο τρόπο με ένα πίνακα μετασχηματισμού για κάθε δείκτη. Αν ένας δείκτης μετασχηματίζεται σαν ένα διάνυσμα με τον αντίστροφο του μετασχηματισμού βάσης, καλείται ανταλλοίωτος και συμβολίζεται παραδοσιακά με ένα πάνω δείκτη, ενώ ο δείκτης που μετασχηματίζεται με τον ίδιο το μετασχηματισμό βάσης καλείται συναλλοίωτος και συμβολίζεατι με ένα κάτω δείκτη. Ο νόμος μετασχηματισμού για ένα τανυστή τάξης m με n ανταλλοίωτους δείκτες και mn συναλλοίωτους δείκτες, δίνεται συνεπώς σαν,

\hat{T}^{i_1,\ldots,i_n}_{i_{n+1},\ldots,i_m}= (R^{-1})^{i_1}_{j_1}\cdots(R^{-1})^{i_n}_{j_n} R^{j_{n+1}}_{i_{n+1}}\cdots R^{j_{m}}_{i_{m}}T^{j_1,\ldots,j_n}_{j_{n+1},\ldots,j_m}.

Ένας τέτοιος τανυστής τάξης ή τύπου (n,mn)[Note 4] Αυτή η συζήτηση έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία του ακόλουθου επίσημου ορισμού:[9]


Ορισμός : Ένας τανυστής τύπου (n, mn) είναι το σύνολο μιας πολυσδιάστατης διάταξης

T^{i_1\dots i_n}_{i_{n+1}\dots i_m}[\mathbf{f}]

σε κάθε βάση f = (e1,...,eN) τέτοια ώστε, αν εφαρμόσουμε την αλλαγή βάσης

\mathbf{f}\mapsto \mathbf{f}\cdot R = \left( R_1^i \mathbf{e}_i, \dots, R_N^i\mathbf{e}_i\right)

τότε η πολυδιάστατη διάταξη υπακούει στο νόμο μετασχηματισμού

T^{i_1\dots i_n}_{i_{n+1}\dots i_m}[\mathbf{f}\cdot R] = (R^{-1})^{i_1}_{j_1}\cdots(R^{-1})^{i_n}_{j_n} R^{j_{n+1}}_{i_{n+1}}\cdots R^{j_{m}}_{i_{m}}T^{j_1,\ldots,j_n}_{j_{n+1},\ldots,j_m}[\mathbf{f}].


Ο ορισμός ενός τανυστή σαν πολυδιάστατη διάταξη που ικανοποιεί ένα νόμο μετασχηματισμού, βρίκεται στην εργασία του Ricci κατά το παρελθόν. Στις μέρες μας, αυτός ο ορισμός ακόμα χρησιμοποιείται σε μερικά βιβλία φυσικής και μηχανικής.[10][11]

Σημειώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Δηλαδή η κανονική διαδικασία σε ένα συγκεκριμένο τύπο αλγεβρικού συστήματος (γνωστό σήμερα σαν άλγεβρα Clifford.
  2. Aυτό το άρθρο θα χρησιμοποιεί τον όρο τάξη (order) επειδή ο όρος βαθμός (rank) έχει διαφορετική σημασία στο σχετικό ευρύτερο πλαίσιο της μητρωικής ανάλυσης.
  3. Τα χωρικά διανύσματα σε αυτό το άρθρο θεωρούνται ότι είναι διαστατικά πεπερασμένα, αν δε σημειώνεται κάτι άλλο.
  4. Υπάρχει μία πληθώρα διαφορετικών τύπων ορολογίας για αυτό γενικά. Οι όροι "τάξη", "τύπος", "βαθμός", "σθένος" χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν την ίδια ιδέα. Αυτό το άρθρο χρησιμοποιεί τον όρο "τάξη" ή "συνολική τάξη" για τη συνολική διάσταση της διάταξης (ή τη γενίκευσή της σε άλλους ορισμούς) m στο προηγούμενο παράδειγμα και ο όρος "τύπος" για το ζεύγος που δίνει τον αριθμό ανταλλοίωτων και συναλλοίωτων δεικτών. Ένας τανυστής τύπου (n,mn) θα αναφέρεται επίσης σαν τανυστής n,mn) για συντομία.

Παραπομπές[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Kline, Morris (1972). Mathematical thought from ancient to modern times, Vol. 3. Oxford University Press. σελ. 1122–1127. ISBN 0195061373. 
  2. Reich, Karin (1994). Die Entwicklung des Tensorkalküls. Science networks historical studies, v. 11. Birkhäuser. ISBN 978-3-7643-2814-6. OCLC 31468174. http://books.google.com/books?id=O6lixBzbc0gC. 
  3. Hamilton, William Rowan (1854–1855). Wilkins, David R.. επιμ. «On some Extensions of Quaternions». Philosophical Magazine (7–9): 492–499, 125–137, 261–269, 46–51, 280–290. ISSN 0302-7597. http://www.emis.de/classics/Hamilton/ExtQuat.pdf. 
  4. Voigt, Woldemar (1898). Die fundamentalen physikalischen Eigenschaften der Krystalle in elementarer Darstellung. Leipzig: Von Veit. 
  5. Ricci Curbastro, G. (1892). «Résumé de quelques travaux sur les systèmes variables de fonctions associés à une forme différentielle quadratique». Bulletin des Sciences Mathématiques 2 (16): 167–189. 
  6. (Ricci & Levi-Civita 1900)
  7. Pais, Abraham (2005). Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280672-7. http://books.google.com/books/about/Subtle_is_the_Lord.html?id=U2mO4nUunuwC. 
  8. Goodstein, Judith R (1982). «The Italian Mathematicians of Relativity». Centaurus 26 (3): 241–261. doi:10.1111/j.1600-0498.1982.tb00665.x. Bibcode1982Cent...26..241G. 
  9. Sharpe, R. W. (1997). Differential Geometry: Cartan's Generalization of Klein's Erlangen Program. Berlin, New York: Springer-Verlag. σελ. 194. ISBN 978-0-387-94732-7. 
  10. Marion, J.B.; Thornton, S.T. (1995). Classical Dynamics of Particles and Systems (4th έκδοση). Saunders College Publishing. σελ. 424. ISBN 978-0-03-098967-4. 
  11. Griffiths, D.J. (1999). Introduction to Electrodynamics (3 έκδοση). Prentice Hall. σελ. 11–12 and 535–. ISBN 978-0-13-805326-0. 
Στο λήμμα αυτό έχει ενσωματωθεί κείμενο από το λήμμα Tensor της Αγγλικής Βικιπαίδειας, η οποία διανέμεται υπό την GNU FDL και την CC-BY-SA 3.0. (ιστορικό/συντάκτες).