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從雙線性映射到張量積

在第一卷中,矩陣承載的是線性映射的資料。現在我們要問:什麼物件能打包多重線性映射?答案是張量積,而它的定義訣竅是萬有性質。

第一卷遺留的問題

線性映射吃一個向量,並由一個矩陣記錄;點積兩個向量,且對每個分量分別線性。這種第二類物件——固定其餘分量時對每個槽位線性——就是多重線性映射。第一卷從未給它一個專屬的歸宿;我們總是把雙線性型化簡為矩陣 B,寫成 f(u,v) = u^T B v。這對取值在純量的型有效,但對輸出本身是向量的映射就不行了。

第二卷的核心思想:與其直接研究多重線性映射,不如建構一個空間 V⊗W,使得從 V×W 出發的每個雙線性映射都變成從 V⊗W 出發的普通線性映射。我們把一類困難的映射換成更大空間上一類簡單的映射。

用文字表述萬有性質

萬有性質說:存在一個空間 V⊗W 和一個雙線性映射 (v,w) ↦ v⊗w 進入它,使得對任意雙線性映射 f: V×W → U,都存在唯一的線性映射 f̃: V⊗W → U 滿足 f(v,w) = f̃(v⊗w)。一句口號:V⊗W 是雙線性映射的萬有接收者。

元素 v⊗w 是簡單(可分解)張量。它們張成 V⊗W,但並不是整個空間——一般的張量是若干簡單張量之和,正如一般的矩陣是若干秩一矩陣之和。現在記住這個類比,往後處處受益。

基底層面的構造

具體地說,若 {e_1,…,e_m} 是 V 的一組,{f_1,…,f_n} 是 W 的一組基,則 {e_i⊗f_j} 是 V⊗W 的一組基,於是 dim(V⊗W) = m·n——是相乘而非相加(對比 dim(V+W) = m+n)。簡單張量 v⊗w 的座標恰好是兩個座標向量的外積。

V = R^2 (basis e1,e2),  W = R^3 (basis f1,f2,f3)
V (x) W has dim 2*3 = 6, basis {e_i (x) f_j}.

Take v = (3, -1) and w = (2, 0, 5).
The simple tensor v (x) w is the OUTER PRODUCT v w^T:

        [  3*2   3*0   3*5 ]     [  6   0   15 ]
v w^T = [ -1*2  -1*0  -1*5 ]  =  [ -2   0   -5 ]

Read off coordinates in basis {e_i (x) f_j}:
  coeff of e1(x)f1 = 6,  e1(x)f3 = 15,  e2(x)f1 = -2,  e2(x)f3 = -5,
  the rest are 0.

NOT every 2x3 array is simple: [1 0; 0 1; ...] style arrays of rank > 1
require a SUM of simple tensors. Matrix rank = number of simple terms needed.
R^2⊗R^3 中的簡單張量就是外積;它的矩陣形態秩為 1。