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从双线性映射到张量积

在第一卷中,矩阵承载的是线性映射的数据。现在我们要问:什么对象能打包多重线性映射?答案是张量积,而它的定义诀窍是万有性质。

第一卷遗留的问题

线性映射吃一个向量,并由一个矩阵记录;点积两个向量,且对每个分量分别线性。这种第二类对象——固定其余分量时对每个槽位线性——就是多重线性映射。第一卷从未给它一个专属的归宿;我们总是把双线性型化简为矩阵 B,写成 f(u,v) = u^T B v。这对取值在标量的型有效,但对输出本身是向量的映射就不行了。

第二卷的核心思想:与其直接研究多重线性映射,不如构建一个空间 V⊗W,使得从 V×W 出发的每个双线性映射都变成从 V⊗W 出发的普通线性映射。我们把一类困难的映射换成更大空间上一类简单的映射。

用文字表述万有性质

万有性质说:存在一个空间 V⊗W 和一个双线性映射 (v,w) ↦ v⊗w 进入它,使得对任意双线性映射 f: V×W → U,都存在唯一的线性映射 f̃: V⊗W → U 满足 f(v,w) = f̃(v⊗w)。一句口号:V⊗W 是双线性映射的万有接收者。

元素 v⊗w 是简单(可分解)张量。它们张成 V⊗W,但并不是整个空间——一般的张量是若干简单张量之和,正如一般的矩阵是若干秩一矩阵之和。现在记住这个类比,往后处处受益。

基底层面的构造

具体地说,若 {e_1,…,e_m} 是 V 的一组,{f_1,…,f_n} 是 W 的一组基,则 {e_i⊗f_j} 是 V⊗W 的一组基,于是 dim(V⊗W) = m·n——是相乘而非相加(对比 dim(V+W) = m+n)。简单张量 v⊗w 的坐标恰好是两个坐标向量的外积。

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 中的简单张量就是外积;它的矩阵形态秩为 1。