Produto tensorial

Fonte: testwiki
Saltar para a navegação Saltar para a pesquisa

Predefinição:Ver desambig

Em matemática, o produto tensorial Predefinição:Math de dois espaços vetoriais Predefinição:Math e Predefinição:Math (sobre o mesmo corpo) é um espaço vetorial, dotado de uma operação de composição bilinear, denotada por Predefinição:Math, de pares ordenados do produto Cartesiano Predefinição:Math sobre Predefinição:Math, de uma maneira que generaliza o produto externo. O produto tensorial de Predefinição:Math e Predefinição:Math é o espaço vetorial gerado pelos símbolos Predefinição:Math, com Predefinição:Math e Predefinição:Math, em que as relações de bilinearidade são impostas para o produto Predefinição:Math, e não são assumidas quaisquer outras relações. O espaço produto tensorial é, assim, o espaço vetorial "mais livre" (ou o mais geral), no sentido de ter o menor número de restrições.

O produto tensorial de espaços vetoriais (de dimensão finita) tem dimensão igual ao produto das dimensões dos dois fatores:

dim(VW)=dimV×dimW.

Em particular, isto distingue o produto tensorial da soma direta de espaços vetoriais, cuja dimensão é a soma das dimensões das duas parcelas:

dim(VW)=dimV+dimW.

De modo mais geral, o produto tensorial pode ser estendido a outras categorias de objetos matemáticos, além de espaços vetoriais, tais como matrizes, tensores, álgebras, espaços vetoriais topológicos, e módulos. Em cada caso, a operação de produto tensorial é caracterizada por uma propriedade universal semelhante: ela é a operação bilinear mais livre. O conceito geral de um "produto tensorial" é capturado por categorias monoidais, isto é, a classe de todas as coisas que têm um produto tensorial é uma categoria monoidal.

Motivação intuitiva e o produto tensorial concreto

A motivação intuitiva para o produto tensorial baseia-se no conceito mais geral de tensor. Em particular, um tensor é um objeto que pode ser considerado como um tipo especial de função multilinear, que recebe um certo número de vetores (sua ordem) e gera um escalar. Tais objetos são úteis em várias áreas de aplicação, tais como a geometria Riemanniana, famosa por seu uso na teoria geral da relatividade de Albert Einstein na física moderna, onde o tensor métrico é um conceito fundamental: em particular, o tensor métrico pega dois vetores, que podem ser pensados aproximadamente como pequenas setas que partem de um ponto específico dentro de um espaço curvo, ou variedade, e retorna um produto escalar local deles em relação àquele ponto particular - uma operação que codifica aproximadamente os comprimentos dos vetores assim como o ângulo entre eles. Como o produto escalar é um escalar, o tensor métrico é visto então como merecedor de seu nome. Existe um tensor métrico em cada ponto da variedade, e a variação no tensor métrico codifica, assim, o modo como os conceitos de distância e de ângulo, e, portanto, as leis da geometria analítica , variam ao longo da variedade.

Pode-se considerar o produto de dois espaços vetoriais, V e W como o conjunto de todos os tensores que tomam um vetor de V e um de W e retorna um escalar dentro de seu corpo base comum (e, portanto, só pode ser definido se eles têm um corpo de base). Os dois espaços podem ser o mesmo—no exemplo acima eles são vetores no espaço tangente em um ponto: aproximadamente o espaço plano com o qual um pequeno pedaço da variedade mais se "parece" quando você aumenta o zoom muito, muito perto de um determinado ponto dela, e, assim, o tensor métrico vive no produto tensorial daquele espaço com si mesmo. Mas eles também podem ser diferentes.

Se temos uma base para os espaços vetoriais, e o espaço vetorial tem dimensão finita, pode-se representar os vetores em termos de componentes em relação àquela base de vetores:

𝐯=[v1v2vn], 𝐰=[w1w2wm].

em que cada notação representa a soma 𝐯=v1𝐞1+v2𝐞2++vn𝐞n.

Um tensor é, então, uma aplicação T(𝐯,𝐰) que funciona como acima, retornando um escalar e que é linear em seus dois argumentos. Tal tensor pode ser representado usando uma multiplicação de matrizes:

T(𝐯,𝐰)=𝐯T𝐓𝐰

em que o sobrescrito T denota a transposição de matrizes , que leva o vetor 𝐯 em seu vetor dual.

Dados dois vetores, podemos formar um tensor a partir deles de forma bastante natural utilizando-se do produto externo, que é indicado por 𝐯𝐰 e é igual a 𝐯𝐰T. Esse tensor resulta na matriz

𝐯𝐰=[v1w1v1w2v1wmv2w1v2w2v2wmvnw1vnw2vnwm]

e essa matriz corresponde ao tensor pela construção anterior, que é um resquício de como ela corresponde a uma transformação linear (pela multiplicação em apenas um lado). Esses mesmos tensores geram um espaço vetorial por meio de suas somas e de sua multiplicação por escalares como é feito normalmente para matrizes e funções, e a coleção de todos os tensores produzidos deste modo é o produto tensorial VW dos dois espaços vetoriais. De fato, esse espaço equivale ao espaço das transformações representadas por todas as matrizes possíveis do tamanho acima, como se pode ver ao observar que os simples produtos de tensores eifj (aqui, fjjé a base do outro espaço vetorial, Wtêm um "1" na (i,j)-ésima posição e um "0" s nas demais posições, o que permite que eles sejam multiplicados por qualquer número e, então, somados para obter uma matriz com entradas arbitrárias.

O propósito das próximas seções é encontrar uma definição que seja equivalente a esta onde é aplicável, mas que não exija uma escolha específica de base e que também possa ser aplicada mais facilmente a situações de dimensão infinita em que os conceitos de base usuais (base de Hamel) podem ser mal-comportados. Não requerer uma base específica é útil do ponto de vista teórico, já que embora todo espaço vetorial tenha uma base, nem todas as bases são necessariamente construtíveis, e além disso o próprio resultado depende da aceitação do axioma da escolha que pode ser rejeitado em alguns sistemas da matemática. Além disso, é útil encontrar uma construção abstrata para análise do ponto de vista da teoria das categorias, a teoria do "grande quadro da matemática" e como todos os objetos matemáticos se relacionam uns com os outros em um sentido muito geral. Um uso muito importante na vida real de uma definição como essa pode ser encontrado em outro campo da física moderna chamado mecânica quântica: o produto tensorial nesta forma nos permite falar da função de onda de um sistema de duas partículas como um vetor de espaço de Hilbert abstrato sem ter que especificar uma base específica de observáveis .

Pequeno passo em direção ao produto tensorial abstrato: o espaço vetorial livre

O primeiro passo a ser considerado envolve a introdução de algo que é chamado de "espaço vetorial livre" sobre um determinado conjunto. O impulso por trás dessa ideia consiste basicamente no que foi dito no último ponto: como um tensor T pode ser escrito na forma de uma soma dupla

T=i=1nj=1m(viwj)(𝐞i𝐟j)

o jeito mais natural de abordar este problema é, de alguma forma, descobrir como se pode "esquecer" sobre a escolha específica das bases 𝐞 e 𝐟 que são usadas aqui. Em matemática, a maneira de "esquecer" os detalhes da representação de alguma coisa é estabelecer uma identificação que diga que duas coisas diferentes que devem ser consideradas representações da mesma coisa são de fato assim, isto é, que, dadas tais coisas diga "sim, elas são a mesma" ou então "não, elas não são a mesma", e então "juntam" todas as representações como se constituíssem a "coisa representada" sem referência a qualquer uma em particular, reunindo-as todas em um único conjunto. Em termos formais, primeiro é construída uma relação de equivalência e, então, toma-se o conjunto quociente definido por essa relação.

Mas antes de ser possível fazer isso, primeiro é preciso desenvolver sobre o que será definida a relação de equivalência. Isso é feito abordar o problema no sentido inverso, de baixo para cima: uma vez que não se tem garantida uma base, pelo menos construtível, quando se começa a partir de espaços vetoriais arbitrários, pode-se tentar começar garantindo que há uma - isto é, considera-se, em primeiro lugar, uma "base" isoladamente, como dada, e então construindo o espaço vetorial a partir dela. Para esse fim, faz-se o seguinte: supõe-se que B é algum conjunto, que poderia ser chamado de uma base abstrata. Agora considere todas as expressões formais do tipo

𝐯=a1β1+a2β2++anβn

de comprimento n arbitrário, mas finito, e nas quais os a_j são escalares e os \beta_j são elementos de BB. Intuitivamente, isso é uma combinação linear dos vetores da base no sentido usual de expandir um elemento de um espaço vetorial. Isso é chamado de "expressão formal" pois tecnicamente a multiplicação αjβj não é permitida já que não há uma operação de multiplicação definida por padrão em um conjunto arbitrário e um corpo de escalares arbitrário. Em vez disso, pretende-se (de modo similar ao que se faz para definir os números imaginários) que isso se refere a algo e então procede-se com a sua manipulação de acordo com as regras que são esperadas de um espaço vetorial, como por exemplo, que a soma de duas sequências de mesmo comprimento é

(a1β1+a2β2++anβn)+(b1β1+b2β2++bnβn)=(a1+b1)β1+(a2+b2)β2++(an+bn)βn

onde foram usadas as leis associativa, comutativa e distributiva para reorganizar a primeira soma e transformá-la na segunda. Continuando desta forma com os os múltiplos escalares e com as combinações de vetores de comprimentos diferentes é possível construir uma adição de vetores e uma multiplicação por escalar sobre este conjunto de expressões formais, e ele é chamado de espaço vetorial livre sobre B, e denotado por F(B). Observe que os elementos de Bconsiderados como expressões formais de comprimento um com coeficiente 1 na frente, formam uma base de Hamel para este espaço.

A expresso do produto tensorial é então abstraída considerando-se que se βj e γj representam "vetores de base abstratos" de dois conjuntos B e G, por exemplo, que "βj=𝐞j"e "γj=𝐟j" então os pares destes vetores no produto cartesiano B×G, ou seja, (βi,γj) são tomados como sendo os produtos tensoriais 𝐞i𝐟j. (Note que os produtos tensoriais na expressão são, em algum sentido, "atômicos", isto é, as adições e multiplicações por escalares não os dividem em qualquer outra coisa, então eles podem ser substituídos por algo diferente, sem alterar a estrutura matemática.) Com tal identificação, pode-se, assim, definir o produto tensorial de dois espaços vetoriais F(B) e F(G) como sendo algo (ainda a ser decidido) que é isomorfo a F(B×G).

Usando o espaço vetorial livre para "esquecer" da base

A definição acima realmente funcionará para qualquer espaço vetorial em que seja possível especificar uma base, uma vez que ele pode ser reconstruído como o espaço vetorial livre sobre aquela base: o procedimento acima reflete exatamente a forma como os vetores são representados por meio de uma base de Hamel, por construção. Na verdade, não houve qualquer ganho... até que foi feito isso.

Como não está sendo suposto que se tem acesso a uma base para cada espaço vetorial V e W cujo produto tensorial VW se pretende construir, utiliza-se a melhor opção disponível que, em certo sentido, é algo que garantidamente pode ser feito, independentemente de quaisquer preocupações ou problemática em encontrar uma base específica: usar a totalidade de V e W como "base" para construir os tensores—o que corresponde ao que, na verdade, foi feito na última parte do "Seção sobre a motivação intuitiva", em que foi considerada a adição de produtos tensoriais arbitrários 𝐯𝐰 de vetores arbitrários dos dois espaços. A única diferença aqui é que, se for usada a construção do espaço vetorial livre para formar o produto óbvio F(V)F(W)=F(V×W) ele terá muitas versões redundantes do que deve ser o mesmo tensor, em outras palavras, voltando ao caso em que havia uma base, se for considerado o exemplo bastante específico em que V=W=2 com a base canônica, que é suficientemente pequeno mas não trivial, pode-se considerar que o tensor formado pelos vetores 𝐯=[03]T e 𝐰=[53]T, isto é,

T:=𝐯𝐰=[00159]

também poderia ser representado por outras somas, tais como a soma usando tensores básicos 𝐞i𝐞j, como por exemplo

T=0(𝐞1𝐞1)+0(𝐞1𝐞2)+15(𝐞2𝐞1)9(𝐞2𝐞2).

Estas expressões, embora sejam iguais no caso concreto, seriam elementos distintos do espaço vetorial livre F(V×W), a saber

T=(v,w)

no primeiro caso, e

T=0(e1,e1)+0(e1,e2)+15(e2,e1)9(e2,e2)

no segundo caso. Assim, deve-se agrupá-los—e aqui que a relação de equivalência entra em jogo. O truque para a construção é observar que, dado qualquer vetor 𝐯 em um espaço vetorial, é sempre possível representá-lo como a soma de dois outros vetores 𝐚 e 𝐛 diferentes do vetor original. No mínimo pode-se tomar qualquer vetor 𝐚 e definir 𝐛:=𝐯𝐚—o que também mostra que, se for dado um vetor e, então, um segundo vetor, pode-se escrever o primeiro vetor em termos do segundo, juntamente com um terceiro vetor adequado (de fato, em de muitas maneiras—basta considerar os múltiplos escalares do segundo vetor na mesma subtração.).

Isso é útil, porque o produto externo satisfaz as seguintes propriedades de linearidade, que podem ser comprovadas pela simples manipulação algébrica das matrizes correspondentes às expressões (os vetores abaixo são genéricos, não os do exemplo acima):

(𝐯+𝐰)𝐮=𝐯𝐮+𝐰𝐮 𝐮(𝐯+𝐰)=𝐮𝐯+𝐮𝐰 c(𝐯𝐮)=(c𝐯)𝐮=𝐯(c𝐮)

Se o objetivo for relacionar o produto externo 𝐯𝐰 com, por exemplo, 𝐞𝟏𝐰pode-se usar a primeira relação acima, juntamente com uma expressão adequada de 𝐯 como uma soma de alguns vetores e algum múltiplo escalar de 𝐞𝟏.

A igualdade entre dois tensores concretos é obtida então se usando as regras acima há como transformar uma das somas dos produtos externos na outra, por meio de decomposições apropriadas dos vetores—independentemente de realmente haver uma base de vetores. Aplicando-se isso ao exemplo acima, observa-se que

𝐯=0𝐞1+3𝐞2 𝐰=5𝐞13𝐞2

e que por meio da substituição em

T=𝐯𝐰

obtêm-se

T=(0𝐞1+3𝐞2)(5𝐞13𝐞2)

e o uso criterioso das propriedades distributivas permite que sejam reorganizados da forma desejada. Do mesmo modo, há uma manipulação correspondente espelhada em termos dos elementos do espaço vetorial livre, como (v,w) e (e1,e1), (e1,e2)etc, e isso, finalmente, é o que leva à definição formal do produto tensorial.

A definição do produto tensorial abstrato

O produto tensorial abstrato de dois espaços vetoriais V e W sobre um corpo base comum é o espaço vetorial quociente

VW:=F(V×W)/

em que é a relação de equivalência de igualdade formal, que é gerada pela suposição de que para cada (v,w) e (v,w) tomadas como expressões formais no espaço vetorial livre vale o seguinte:

Identidade. (v,w)(v,w).
Distributividade. (v,w)+(v,w)(v+v,w) e (v,w)+(v,w)(v,w+w).
Múltiplos escalares. c(v,w)(cv,w) e c(v,w)(v,cw)

e então testando a equivalência de expressões formais genéricas através de manipulações adequadas baseadas nestas equivalências. A aritmética é definida sobre o produto tensorial escolhendo elementos representativos, aplicando-se as regras aritméticas, e, finalmente, obtendo a classe de equivalência. Além disso, dados quaisquer dois vetores 𝐯V e 𝐰W, a classe de equivalência [(v,w)] é indicada por 𝐯𝐰.

Propriedades

Notação

Muitas vezes os elementos de Predefinição:Math são chamados de tensores, embora este termo se refira a muitos outros conceitos relacionados.[1] Se Predefinição:Math pertence a Predefinição:Math e Predefinição:Math pertence a Predefinição:Math, então a classe de equivalência de Predefinição:Math é denotada por Predefinição:Math, e é denominado o produto tensorial de Predefinição:Math com Predefinição:Math. Em engenharia, o uso do símbolo Predefinição:Math refere-se, especificamente, à operação de produto externo; o resultado do produto externo Predefinição:Math é uma das maneiras usuais de representar a classe de equivalência Predefinição:Math.[2] Um elemento de Predefinição:Math que pode ser escrito na forma Predefinição:Math é chamado de um tensor simples ou puro. Em geral, um elemento do espaço produto tensorial não é um tensor puro, mas sim uma combinação linear finita de tensores puros. Por exemplo, se Predefinição:Math e Predefinição:Math são linearmente independentes, e Predefinição:Math e Predefinição:Math também são linearmente independentes, então Predefinição:Math não pode ser escrito como um tensor puro. O número de tensores simples necessários para expressar um elemento de um produto tensorial é chamado posto do tensor (não confundir com a ordem do tensor, que é o número de espaços dos quais se tomou o produto, neste caso, 2; na notação, o número de índices), e para operadores lineares ou matrizes, pensados como tensores Predefinição:Math (elementos do espaço Predefinição:Math), ele coincide com o posto da matriz.

Dimensão

Dada bases Predefinição:Math} e Predefinição:Math} para Predefinição:Math e Predefinição:Math , respectivamente, os tensores Predefinição:Math formam uma base para Predefinição:Math. Portanto, se Predefinição:Math e Predefinição:Math têm dimensão finita, a dimensão do produto é o produto das dimensões dos espaços originais; por exemplo, Predefinição:Math é isomorfo a Predefinição:Math.

Produto tensorial de transformações lineares

O produto tensorial também opera sobre transformações lineares entre espaços vetoriais. Especificamente, dadas as transformações lineares Predefinição:Math e Predefinição:Math entre espaços vetoriais, o produto tensorial das transformações lineares Predefinição:Math e Predefinição:Math é uma transformação linear

ST:VWXY

definida por

(ST)(vw)=S(v)T(w).

Desta forma, o produto tensorial se torna um bifuntor da categoria dos espaços vetoriais sobre si mesma, covariante em ambos os argumentos.[3]

Se Predefinição:Math e Predefinição:Math são ambas injectivas, sobrejetivas ou contínuas então Predefinição:Math é, respectivamente, injetiva, sobrejetiva ou contínua.

Escolhendo bases de todos os espaços vetoriais envolvidos, as transformações lineares Predefinição:Math e Predefinição:Math podem ser representadas por matrizes. Então a matriz que descreve o produto Predefinição:Math é o produto de Kronecker das duas matrizes. Por exemplo, se os espaços Predefinição:Math, e Predefinição:Math acima são todos bidimensionais e forem fixadas bases para todos eles, e Predefinição:Math e Predefinição:Math forem dados pelas matrizes

[a1,1a1,2a2,1a2,2],[b1,1b1,2b2,1b2,2],

respectivamente, o produto tensorial destas duas matrizes será

[a1,1a1,2a2,1a2,2][b1,1b1,2b2,1b2,2]=[a1,1[b1,1b1,2b2,1b2,2]a1,2[b1,1b1,2b2,1b2,2]a2,1[b1,1b1,2b2,1b2,2]a2,2[b1,1b1,2b2,1b2,2]]=[a1,1b1,1a1,1b1,2a1,2b1,1a1,2b1,2a1,1b2,1a1,1b2,2a1,2b2,1a1,2b2,2a2,1b1,1a2,1b1,2a2,2b1,1a2,2b1,2a2,1b2,1a2,1b2,2a2,2b2,1a2,2b2,2].

O posto resultante é no máximo 4, e, portanto, a dimensão resultante é 4. Aqui o posto refere-se ao posto do tensor (número de índices exigidos), enquanto que o posto da matriz conta o número de graus de liberdade na matriz resultante.

Um produto diádico é o caso especial do produto tensorial entre dois vetores de mesma dimensão.

Propriedade universal

Este diagrama comutativo apresenta a propriedade universal do produto tensorial. Aqui φ e h são bilineares, considerando que h~ é linear.

No contexto de espaços vetoriais, o produto tensorial e a transformação bilinear φ:V×WVW são caracterizados a menos de isomorfismo por uma propriedade universal sobre transformações bilineares. (Lembre-se que uma transformação bilinear é uma função que é separadamente linear em cada um de seus argumentos.) Informalmente, φ é a transformação bilinear mais geral definida em V×W.

O espaço vetorial VW e a transformação bilinear associada φ:V×WVW têm a propriedade de que toda transformação bilinear h:V×WZ de V×W para qualquer espaço vetorial Z pode ser fatorada unicamente através de φ. Ao dizer que "h é fatorada unicamente através de φ", o que se quer dizer é que existe uma única transformação linear h~:VWZ tal que h=h~φ.

Esta caracterização pode simplificar demonstrações sobre o produto tensorial. Por exemplo, o produto tensorial é simétrico, ou seja, há um isomorfismo canônico:

VWWV.

Para construir, por exemplo, uma transformação de VW para WVbasta que seja dada uma aplicação bilinear h:V×WWV que leve (v,w) em wv. Então a propriedade universal de VW quer dizer que h pode ser fatorada em um aplicação h~:VWWV. Uma aplicação g~:WVVW no sentido oposto, é definida da mesma forma, e se verifica que as duas transformações lineares h~ e g~ são inversas uma da outra usando novamente suas propriedades universais.

Um raciocínio semelhante pode ser usado para mostrar que o produto é associativo, ou seja, que existem isomorfismos naturais

V1(V2V3)(V1V2)V3.

Portanto, costuma-se omitir os parênteses e escrever V1V2V3.

A categoria dos espaços vetoriais com o produto tensorial é um exemplo de uma categorial monoidal simétrica.

A definição de um produto tensorial por sua propriedade universal é válida em mais categorias além da categoria dos espaços vetoriais. No lugar das transformações multilineares (bilineares), a definição geral de produto tensorial utiliza multimorfismos.[4]

Potências tensoriais e tranças

Seja Predefinição:Math um número inteiro não negativo. A Predefinição:Math-ésima potência tensorial do espaço vetorial Predefinição:Math é o produto tensorial de Predefinição:Math cópias de Predefinição:Math com si próprio, isto é,

Vn=defVVn.

Uma permutação Predefinição:Math do conjunto Predefinição:Math} determina uma função da Predefinição:Math-ésima potência cartesiana de Predefinição:Math como segue:

{σ:VnVnσ(v1,v2,,vn)=(vσ(1),vσ(2),,vσ(n))

Seja

φ:VnVn

a imersão multilinear natural da potência cartesiana de Predefinição:Math na potência tensorial de Predefinição:Math. Então, pela propriedade universal, há um único isomorfismo

τσ:VnVn

tal que

φσ=τσφ.

O isomorfismo Predefinição:Math é chamado de aplicação trança associada à permutação Predefinição:Math.

Produto de tensores

Dados os números inteiros não negativos Predefinição:Math e Predefinição:Math, um tensor do tipo Predefinição:Math em um espaço vetorial Predefinição:Math é um elemento de

Tsr(V)=VVrV*V*s=VrV*s.

Aqui Predefinição:Math é o espaço vetorial dual (que consiste de todas as transformações lineares Predefinição:Math de Predefinição:Math para o corpo de escalares Predefinição:Math).

Há uma aplicação produto, chamado de produto (tensorial) de tensoresPredefinição:Refn

Tsr(V)KTsr(V)Ts+sr+r(V).

Ela é definida pelo agrupamento de todas as ocorrências de "fatores" Predefinição:Math: escrevendo-se Predefinição:Math para um elemento de Predefinição:Math e Predefinição:Math para elementos do espaço dual,

(v1f1)(v'1)=v1v'1f1.

A escolha de uma base de Predefinição:Math e da base dual correspondente de Predefinição:Math induz, naturalmente, uma base para Predefinição:Math (esta base é descrita no artigo sobre produtos de Kronecker). Em termos dessas bases, as componentes de um produto (tensorial) de dois (ou mais) tensores podem ser calculadas. Por exemplo, se Predefinição:Math e Predefinição:Math são dois tensores covariantes de postos Predefinição:Math e Predefinição:Math, respectivamente (ou seja, Predefinição:Math, e Predefinição:Math) então as componentes de seu produto tensorial são dados por

(FG)i1i2im+n=Fi1i2imGim+1im+2im+3im+n.

[5] Assim, as componentes do produto tensorial de dois tensores são o produto ordinário das componentes de cada tensor. Outro exemplo: seja Predefinição:Math um tensor do tipo Predefinição:Math com componentes Predefinição:Math, e seja Predefinição:Math um tensor do tipo Predefinição:Math com componentes Predefinição:Math. Então,

UαβVγ=(UV)αβγ

e

VμUνσ=(VU)μνσ.

Os produtos de tensores formam uma álgebra, chamada de álgebra tensorial.

Relação com o espaço dual

Um exemplo particular é o produto tensorial de um espaço vetorial Predefinição:Math com seu espaço dual Predefinição:Math (que consiste em todas as transformações lineares Predefinição:Math de Predefinição:Math ao campo terrestre Predefinição:Math ). Neste caso, existe uma função de avaliação canônica

VV*K

que é definida nos tensores elementares por vff(v).

A função resultante Tsr(V)Ts1r1(V)

é chamada de contração do tensor (para Predefinição:Math ).

Por outro lado, se Predefinição:Math tem dimensão finita, há uma aplicação canônica na outra direção (chamada aplicação de coavaliação)

KVV*,λiλvivi*.

em que Predefinição:Math é qualquer base de Predefinição:Math, e Predefinição:Math é a sua base dual. Surpreendentemente, esta aplicação não depende da base escolhida.[6]

A interação entre as aplicações de avaliação e de coavaliação pode ser usado para caracterizar os espaços vetoriais de dimensão finita sem se referir às bases.[7]

Produto tensorial vs. Hom

Dados dois espaços vetoriais de dimensão finita Predefinição:Math, Predefinição:Math sobre o mesmo corpo Predefinição:Math, denote o espaço dual de Predefinição:Math por Predefinição:Mathe o Predefinição:Math-espaço vetorial de todas as transformações lineares de Predefinição:Math em Predefinição:Math por Predefinição:Math. Tem-se a seguinte relação:

U*VHom(U,V),

um isomorfismo pode ser definido por α:U*VHom(U,V), pela ação em tensores puro

u*v(u*v)(u)=u*(u)v,

o seu "inverso" pode ser definido de uma maneira similar como acima (Relação com o espaço dual) usando base dual {ui*},

Hom(U,V)U*V,f()iui*f(ui).

Este resultado implica

dim(UV)=dim(U)dim(V)

que automaticamente dá o importante fato de que {uivj} forma uma base para UV em que {ui},{vj} são bases de Predefinição:Math e Predefinição:Math.

Além disso, dados três espaços vetoriais Predefinição:Math, Predefinição:Math, Predefinição:Math o produto tensorial está ligado ao espaço vetorial de todas as transformações lineares, como segue:

Hom(UV,W)Hom(U,Hom(V,W)).

Este é um exemplo de funtor adjunto: o produto tensorial é "adjunto à esquerda" de Hom.

Representação adjunta

O tensor Tsr(V) pode ser visto naturalmente como um módulo para a álgebra de Lie Predefinição:Math, por meio da ação diagonal: por simplicidade, suponha que Predefinição:Math, então, para cada Predefinição:Math,

u(ab)=u(a)bau*(b),

em que Predefinição:Math em Predefinição:Math é a transposta de Predefinição:Math, isto é, em termos do emparelhamento óbvio em Predefinição:Math,

u(a),b=a,u*(b).

Há um isomorfismo canônico T11(V)End(V) definido por

(ab)(x)=x,ba.

Sob este isomorfismo, cada Predefinição:Math em Predefinição:Math pode ser visto primeiramente como um endomorfismo de T11(V) e, então, como um endomorfismo de Predefinição:Math. Na verdade, ele é a representação adjunta Predefinição:Math de Predefinição:Math.

Produtos tensoriais de módulos sobre um anel

O produto tensorial de dois módulos Predefinição:Math e Predefinição:Math sobre um anel comutativo Predefinição:Math é definido exatamente da mesma maneira que p produto tensorial de espaços vetoriais sobre um corpo:

ARB:=F(A×B)/G

onde agora Predefinição:Math é o [[free module|Predefinição:Math-módulo livre]] gerado pelo produto cartesiano e Predefinição:Math é o Predefinição:Math-módulo gerado pelas mesmas relações acima.

De modo mais geral, o produto tensorial pode ser definido mesmo se o anel não for comutativo (Predefinição:Math). Neste caso, Predefinição:Math tem que ser um Predefinição:Math-módulo à direita e Predefinição:Math é Predefinição:Math-módulo à esquerda e, em vez das duas últimas relações acima, é imposta a relação

(ar,b)(a,rb).

Se Predefinição:Math não é comutativo, isso não é mais um Predefinição:Math-módulo, e sim apenas um grupo abeliano.

A propriedade universal também é adaptada quase sem modificação: a aplicação Predefinição:Math definida por Predefinição:Math é uma transformação linear intermediária (chamada de "transformação linear intermediária canônica".[8]); isto é,[9] que satisfaz:

ϕ(a+a,b)=ϕ(a,b)+ϕ(a,b)ϕ(a,b+b)=ϕ(a,b)+ϕ(a,b)ϕ(ar,b)=ϕ(a,rb)

As duas primeiras propriedades fazem de Predefinição:Math uma transformação bilinear do grupo abeliano Predefinição:Math. Para qualquer transformação linear intermediária Predefinição:Math de Predefinição:Math, um único homomorfismo de grupos Predefinição:Math de Predefinição:Math satisfaz Predefinição:Math, e esta propriedade determina ϕ a menos de isomorfismos de grupo. Veja o artigo principal para obter detalhes.

Produto de módulos ao longo de um não-comutativa anel

Seja A um R-módulo à direita e B um R-módulo à esquerda. O produto tensorial de A e B é um grupo abeliano definido por

ARB:=F(A×B)/G

onde F(A×B) é um grupo abeliano livre sobre A×B e G é um subgrupo de F(A×B) gerado pelas relações

a,a1,a2A,b,b1,b2B,rR:(a1,b)+(a2,b)(a1+a2,b),(a,b1)+(a,b2)(a,b1+b2),(ar,b)(a,rb).

A propriedade universal pode ser expressa da seguinte forma. Seja G um grupo abeliano com uma aplicação q:A×BG que é bilinear, no sentido de que

q(a1+a2,b)=q(a1,b)+q(a2,b),q(a,b1+b2)=q(a,b1)+q(a,b2),q(ar,b)=q(a,rb).

Então, há uma única aplicação q:ABG tal que q(ab)=q(a,b) para cada aA,bB.

Além disso, pode-se definir em ARB uma estrutura de módulo sob algumas condições extras.

1) Se A é um (S,R)-bimódulo, então, ARB é um S-módulo à esquerda em que s(ab):=(sa)b.
2) Se B é um (R,S)-bimódulo, então ARB é um S-módulo à direita em que (ab)s:=a(bs).
3) Se R é um anel comutativo, então A e B são (R,R)-bimódulos em que ra:=ar e br:=rb. 1), ARB é um R-módulo à esquerda. Por 2), ARB é um R-módulo à direita. Assim, pode-se concluir que ARB é um (R,R)-bimódulo.

Cálculo do produto tensorial

Para espaços vetoriais, o produto tensorial Predefinição:Math é calculado rapidamente já que bases de Predefinição:Math de Predefinição:Math imediatamente determinam uma base de Predefinição:Math, como foi mencionado acima. Para os módulos sobre um anel (comutativo) arbitrário, e nem todo módulo é livre. Por exemplo, Predefinição:Math não é um grupo abeliano livre (= Predefinição:Math-módulo). O produto tensorial com Predefinição:Math por

M𝐙𝐙/n𝐙=M/nM.

Mais geralmente, dada uma presentação de um Predefinição:Math-módulo Predefinição:Math, isto é, um número de geradores Predefinição:Math, juntamente com relações jJajimi=0, em que Predefinição:Math, o produto tensorial pode ser calculado como a seguir cokernel:

MRN=coker(NJNI)

Aqui Predefinição:Math e a aplicação é determinada levando algum Predefinição:Math na Predefinição:Math-ésima cópia de Predefinição:Math para Predefinição:Math (em Predefinição:Math). Coloquialmente, isso pode ser reformulado dizendo que uma presentação de Predefinição:Math dá origem a uma presentação de Predefinição:Math. Isso é descrito dizendo-se que produto é um funtor exato à direita. Ele não é, em geral, exato à esquerda, isto é, dada uma aplicação injetiva de Predefinição:Math-módulos Predefinição:Math, o produto tensorial

M1RNM2RN

geralmente não é injetivo. Por exemplo, calculando-se o produto tensorial da aplicação (injetiva) com a multiplicação com Predefinição:Math, Predefinição:Math com Predefinição:Math produz a aplicação nula Predefinição:Math, que não é injetiva. Os funtores Tor de ordem mais alta medem o defeito do produto tensorial não ser exato à esquerda. Todos os funtores Tor de ordem mais alta são montados no produto tensorial derivado.

Produto tensorial de álgebras

Seja Predefinição:Math um anel comutativo. O produto tensorial de Predefinição:Math-módulos aplica-se, em particular, se Predefinição:Math e Predefinição:Math são [[Álgebra sobre um corpo|Predefinição:Math-álgebras]]. Neste caso, o produto tensorial Predefinição:Math é ele próprio uma Predefinição:Math-álgebra, colocando

(a1b1)(a2b2)=(a1a2)(b1b2).

Por exemplo,

R[x]RR[y]R[x,y].

Um exemplo específico é quando Predefinição:Math e Predefinição:Math são corpos que contêm um subcorpo comum Predefinição:Math. O produto tensorial de corpos está intimamente relacionado com a teoria de Galois: se, por exemplo, Predefinição:Math, onde Predefinição:Math é algum polinômio irredutível com coeficientes em Predefinição:Math, o produto tensorial pode ser calculado como

ARBB[x]/f(x)

em que Predefinição:Math é interpretado como o mesmo polinômio, mas com seus coeficientes considerados como elementos de Predefinição:Math. No corpo maior Predefinição:Math, o polinômio pode se tornar redutível, o que traz a teoria de Galois. Por exemplo, se Predefinição:Math é uma extensão de Galois de Predefinição:Math, então

ARAA[x]/f(x)

é isomorfo (como uma Predefinição:Math-álgebra) a Predefinição:Math.

Autoconfigurações de tensores

Matrizes quadradas Predefinição:Math, com entradas em um corpo Predefinição:Math representam transformações lineares entre espaços vetoriais, por exemplo KnKne, portanto, transformações lineares ψ:n1n1 entre espaços projetivos sobre K. Se Predefinição:Math é não singular, então ψ é bem definida em todos os lugares, e os autovetores de A correspondem aos pontos fixos de ψ. A autoconfiguração de Predefinição:Math consiste de n pontos de n1, desde que A seja genérica e Predefinição:Math seja algebricamente fechado. Os pontos fixos de transformações não lineares são os autovetores de tensores. Seja A=(ai1i2id) um tensor de dimensão d com o formato n×n××n e com entradas (ai1i2id) pertencentes a um corpo algebricamente fechado K de característica zero. Tal tensor A(Kn)d define funções polinomiais KnKn e n1n1 com coordenadas

ψi(x1,...,xn)=j2=1nj3=1njd=1naij2j3jdxj2xj3xjdfor i=1,...,n

Assim, cada uma dasn n coordenadas de ψ é um polinômio homogêneo ψi de grau d1 em 𝐱=(x1,...,xn). Os autovetores de A são as soluções da restrição

rank(x1x2xnψ1(𝐱)ψ2(𝐱)ψn(𝐱))1

e a autoconfiguração é dada pela variedade dos menores 2×2 desta matriz.[10]

Outros exemplos de produtos tensoriais

Produto tensorial de espaços de Hilbert

Espaços de Hilbert generalizam espaços vetoriais de dimensão finita para dimensão infinita contável. O produto tensorial ainda é definido; ele é o produto tensorial de espaços de Hilbert.

Produto tensorial topológico

Quando a base de um espaço vetorial não é mais contável, então a formalização axiomática adequada para o espaço vetorial é a de um espaço vetorial topológico. O produto tensorial ainda está definido, e é o produto tensorial topológico.

Produto tensorial de espaços vetoriais graduados

Alguns espaços vetoriais pode ser decompostos em somas diretas de subespaços. Em tais casos, o produto tensorial de dois espaços pode ser decomposto em somas de produtos dos subespaços (de forma análoga à forma como a multiplicação se distribui em relação à adição).

Produto tensorial de representações

Espaços vetoriais dotados de uma estrutura multiplicativa adicional são chamados de álgebras. O produto tensorial de tais álgebras é descrito pela regra de Littlewood–Richardson.

Produto tensorial de formas quadráticas

Produto tensorial de multilinear formas

Dadas duas formas multilineares f(x1,,xk) e g(x1,,xm) sobre um espaço vetorial V sobre o campo K, o seu produto tensorial é a forma multilinear

(fg)(x1,,xk+m)=f(x1,,xk)g(xk+1,,xk+m).[11]

Este é um caso especial do produto de tensores se eles são vistos como aplicações multilineares (ver também tensores como aplicações multilineares). Assim, as componentes do produto tensorial de formas multilineares pode ser calculado pelo produto de Kronecker.

Produto tensorial de feixes de módulos

Produto tensorial de fibrados de retas

Produto tensorial de corpos

Produto tensorial de grafos

Deve ser mencionado que, apesar de ser chamado de "produto tensorial", este não é um produto tensorial de grafos no sentido acima; na verdade, é o produto categorial na categoria de grafos e homomorfismos de grafos. No entanto, ele é, na verdade, o produto tensorial de Kronecker das matrizes de adjacência dos grafos. Compare também com a seção produto tensorial de transformações lineares acima.

Categorias monoidais

O contexto mais geral para o produto tensorial é a categoria monoidal. Ela captura a essência algébrica dos tensores, sem fazer qualquer referência específica ao que está sendo multiplicado tensorialmente. Assim, todos os produtos tensoriais podem ser expressos como uma aplicação da categoria monoidal para algum contexto determinado, atuando sobre alguns objetos particulares.

Quociente de álgebras

Um número de subespaços importantes da álgebra tensorial podem ser construídos como quocientes: estes incluem a álgebra exterior, a álgebra simétrica, a álgebra de Clifford, a álgebra de Weyl, e a álgebra envelopante universal em geral.

A álgebra exterior é construída a partir do produto exterior. Dado um espaço vetorial Predefinição:Math, o produto exterior VV é definido como

VV:=VV/(vv for all vV).

Observe que, quando o corpo subjacente de Predefinição:Math não tem característica 2, esta definição é equivalente a

VV:=VV/(v1v2+v2v1 for all v1,v2V).

A imagem de v1v2 no produto exterior é geralmente denotada por v1v2 e satisfaz, por construção, v1v2=v2v1. São possíveis construções semelhantes para VV (com Predefinição:Math fatores), dando origem a ΛnVa Predefinição:Math-ésima potência exterior de Predefinição:Math. O último conceito é a base das [[Forma diferencial|Predefinição:Math-formas diferenciais]].

A álgebra simétrica é construída de forma semelhante, a partir do produto simétrico

VV:=VV/(v1v2v2v1 for all v1,v2V).

Mais geralmente

SymnV:=VVn/(vivi+1vi+1vi)

Isto é, na álgebras imétrica ois vetores adjacentes (e, portanto, todos eles) podem ser ipermutados Os objetos resultantes são chamados de tensores simétricos.

Álgebras adicionais resultam do quociente por outros polinômios; o caso geral é dado pelas álgebras envelopantes universais.

Produto tensorial em programação

Matriz de linguagens de programação

Linguagens de programação matriciais podem ter este padrão disponível por padrão. Por exemplo, em APL o produto tensorial é expresso por ○.× (por exemplo, A ○.× B ou A ○.× B ○.× C). Em J o produto tensorial é a forma diádica de */ (por exemplo A */ b ou a */ b */ c).

Note que o tratamento feito em J também permite a representação de alguns corpos tensoriais, já que a e b podem ser funções, em vez de constantes. Este produto de duas funções é uma função derivada, e se a e b são diferenciáveis, então a */ b é diferenciável.

No entanto, estes tipos de notação não estão presentes universalmente nas linguagens matriciais. Outras linguagens matriciais podem exigir o tratamento explícito dos índices (por exemplo, MATLAB), e/ou podem não suportar funções de ordem superior, tais como a derivada jacobiana (por exemplo, Fortran/APL).

Ver também

  • Produto diádico
  • Extensão de escalares
  • Álgebra tensorial
  • Contração tensorial
  • Produto tensorial topológico
  • Categoria monoidal

Notas

  1. Ver Tensor ou Tensor (definição intrínseca).
  2. Isto é semelhante a como o uso do operador "(modn)" por engenheiros retorna especificamente o resto, um dos muitos elementos da classe de equivalência (modn).
  3. Predefinição:Citar livro
  4. Predefinição:Citar web Obtido em 2 de setembro de 2017.[fonte gerada pelo usuário]
  5. Fórmulas análogas também valem para tensores contravariantes, bem como tensores de variância mista. Embora a distinção seja irrelevante em muitos casos, como quando há um produto interno definido.
  6. Predefinição:Citar web
  7. Ver Categoria fechada compacta.
  8. Predefinição:Citar livro
  9. Predefinição:Citation
  10. Abo, H.; Seigal, A.; Sturmfels B. arXiv:1505.05729 [matemática.AG]
  11. Predefinição:Citar livro

Referências