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指标记号、价与缩并

一旦张量成为实在的对象,我们就需要一套可操作的语言:上下指标、爱因斯坦求和约定,以及缩并——它推广了矩阵乘法与迹。

指标的上与下

指标记号中,向量的分量带指标 v^i,而余向量(线性泛函)的分量带指标 a_i。(p,q) 型张量有 p 个上指标和 q 个下指标,例如 T^{ij}_k。这个型也称为,它说明张量有多少个向量槽和多少个余向量槽。线性映射矩阵是 (1,1) 型:一上一下,记作 A^i_j。

缩并推广了迹

缩并把同一张量的一个上指标与一个下指标配对并对其求和,把型从 (p,q) 降为 (p-1,q-1)。把 A^i_j 仅有的两个指标缩并,即令 j = i 并求和:A^i_i = ∑_i A^i_i,这正是。缩并是几乎每个张量公式背后的无坐标引擎。

Matrix multiplication is a tensor contraction:
  (A B)^i_k = A^i_j B^j_k        (sum over the dummy j)

Trace is a self-contraction:
  tr(A) = A^i_i = sum_i A^i_i

Bilinear form acting on two vectors:
  f(u,v) = B_{ij} u^i v^j         (contract both lower indices)

Applying a (1,1) tensor and then taking trace (contracting twice):
  start from T^i_j v^j  -> w^i,    then contract: w^i with a_i -> a_i T^i_j v^j

Rule of thumb: count free indices to know the OUTPUT type.
  A^i_j B^j_k  has free i (up), k (down)  => result is type (1,1), a matrix.
矩阵乘积、迹与型的求值都是伪装的缩并。

堆叠空间:克罗内克积

当你用坐标写出两个算子的张量积时,得到的是克罗内克积 A⊗B:把 A 的每个元素 a_{ij} 替换为分块 a_{ij}B。它是映射 A⊗B 作用在 V⊗W 上的具体矩阵,并满足 (A⊗B)(C⊗D) = (AC)⊗(BD)——抽象张量恒等式的算术化身。

A = [a b; c d]   (2x2),   B = [p q; r s]   (2x2)

A (x) B = [ a*B  b*B ]   = [ a p   a q   b p   b q ]
          [ c*B  d*B ]     [ a r   a s   b r   b s ]
                           [ c p   c q   d p   d q ]
                           [ c r   c s   d r   d s ]    (4x4)

Size: (m1 x n1) (x) (m2 x n2)  ->  (m1 m2) x (n1 n2)
Useful facts:  (A (x) B)^T = A^T (x) B^T,   tr(A (x) B) = tr(A) tr(B).
克罗内克积是算子张量积的矩阵实现。