張量與多重線性代數

簡單(可分解)張量

簡單張量是那種能寫成單個乘積 v (x) w(高階時為 v (x) w (x) u)、無需求和的張量。它們是張量積的原子:恰好就是秩 1 的張量,而 V (x) W 的每個元素都是它們的有限和。但「是若干原子之和」與「是一個原子」大不相同。

具體地,把 V (x) W 與 m 列 n 行的矩陣等同起來,方法是把 v (x) w 送到外積 v*w^T。於是簡單張量恰好就是秩 1 矩陣,即各列都是同一列之倍數的那些。像 [1, 0; 0, 1] 這樣的 2x2 矩陣顯然秩為 2,所以它是兩個簡單張量之和,本身並不簡單。大多數張量都是這樣。

簡單張量有多稀有?它們在 V (x) W 中構成一片薄而彎曲的曲面(Segre 簇),維數僅約為 m + n - 1,嵌在維數為 m*n 的整個空間之中。所以一個「隨機」張量以機率 1 不是簡單的。簡單張量張成了一切,卻幾乎不佔據任何體積。

為何在意?識別一個張量何時簡單,是張量代數中的第一個判斷:一個簡單的 v (x) w 把雙線性相互作用分解為來自各槽位的獨立貢獻,而真正的求和則把各槽位糾纏在一起。量子糾纏恰恰就是說:V (x) W 中的態向量不是簡單的。

[1, 0; 0, 0] = e1 (x) e1 (simple) vs [1, 0; 0, 1] = e1 (x) e1 + e2 (x) e2 (not simple)

秩 1 矩陣是簡單張量;單位矩陣是兩個簡單張量之和,因而不簡單。

二階的判別:v (x) w 對應一個秩 1 矩陣。所以一個 2 張量簡單,當且僅當其矩陣的秩 <= 1,即所有 2x2 子式都為零。對三階及以上,沒有這樣輕巧的判別——這正是張量秩變難之處。

又稱
pure tensorrank-1 tensordecomposable tensor