例子与边界
用矩阵看见纯张量与张量之和
在选定基后,F m ⊗ F n ≅ F m n ,也可把这些坐标排成 m × n 矩阵。纯张量 v ⊗ w 对应外积 v w T ,每个位置的值为 v i w j ,因而矩阵的秩至多为一。相比之下,笛卡尔积 F m × F n 只是分别保存两个向量,维数为 m + n 。
在 F 2 ⊗ F 2 中,e 1 ⊗ e 1 + e 2 ⊗ e 2 对应秩为 2 的单位矩阵,因此它是两个纯张量之和,却不能写成单个纯张量。
把非零纯张量再按整体比例识别,就得到Segre嵌入 公理库 Segre 嵌入 Segre embedding 把射影乘积识别为秩一矩阵的闭子概形,逐图恢复两组坐标,并证明光滑二次曲面的两族直线。 的像。它用全部二阶子式把射影空间乘积刻画为秩1矩阵;在 P 1 × P 1 中,两因子分别固定时产生二次曲面上的两族直线。
一次双线性计算如何变成线性计算
取 B ( v , w ) = v 1 w 2 − v 2 w 1 。其唯一线性分解在基上的值为 B ~ ( e 1 ⊗ e 2 ) = 1 、B ~ ( e 2 ⊗ e 1 ) = − 1 ,两个对角基向量映为零。于是 B ~ 读取张量坐标后,只需把两个非对角坐标相减。
例如对 ( v , w ) = ( ( 1 , 2 ) , ( 3 , 4 ) ) ,张量按 e 1 ⊗ e 1 , e 1 ⊗ e 2 , e 2 ⊗ e 1 , e 2 ⊗ e 2 的顺序有坐标 ( 3 , 4 , 6 , 8 ) 。线性计算给出 4 − 6 = − 2 ,与直接求 1 ⋅ 4 − 2 ⋅ 3 相同。
从向量空间推广到模
这一节是一般环上的可选分支。设 R 为交换含幺环,M , N 为幺 R -模 公理库 模 Module 以含幺环元素作标量、以阿贝尔群作加法结构的代数对象。 。M ⊗ R N 是一个 R -模,配有映射 ( m , n ) ↦ m ⊗ n ,使任意到 R -模 L 的 R -双线性映射 M × N → L 都唯一经由它分解为 R -模同态。这里双线性除了两变量分别可加,还要求标量能在两边转移:
( r m ) ⊗ n = m ⊗ ( r n ) = r ( m ⊗ n ) . 具体构造仍是先取符号 [ m , n ] 生成的自由 R -模,再商掉两变量的加法关系和上述标量关系。向量空间证明泛性质的办法逐字适用,但一般模未必有基,所以不能再用“两个基两两配对”描述所有张量积。
对非交换含幺环,也有右模与左模的张量积:若 M 是右 R -模、N 是左 R -模,取符号 m ⊗ n 生成的阿贝尔群,商去两变量的加法关系及
( m r ) ⊗ n = m ⊗ ( r n ) . 所得对象首先是阿贝尔群,满足到任意阿贝尔群的平衡双加性映射的唯一因子化性质。一般不能直接给它一个 R -模结构,也不能在不改变左右作用的情况下交换两个因子。若 R 交换,两边按同一标量作用看作左右模,才恢复前面定义的 R -模张量积。以下商模与正合性公式仍在已声明的交换环范围内。
若 f : M → M ′ 为模同态,公式
( f ⊗ 1 N ) ( m ⊗ n ) = f ( m ) ⊗ n 尊重这些关系,因而定义一个模同态。最基本的同构为 R ⊗ R M ≅ M ,把 r ⊗ m 送到 r m ,逆映射为 m ↦ 1 ⊗ m 。若 I ⊆ R 为理想,则还有
( R / I ) ⊗ R M ≅ M / I M , [ r ] ⊗ m ⟼ r m + I M . 其中 I M 是有限和 ∑ j i j m j (i j ∈ I )组成的子模。正向公式与 r 的代表元无关;逆映射 m + I M ↦ [ 1 ] ⊗ m 也有定义,因为 [ 1 ] ⊗ ( i m ) = [ i ] ⊗ m = 0 。两公式复合为恒等,便证明了同构,而不只是给出元素之间的对应。
底环会影响结果,例如对正整数 m , n ,
Z / n Z ⊗ Z Z / m Z ≅ Z / gcd ( m , n ) Z . 这是把上面的商模公式用于 R = Z 、I = n Z 、M = Z / m Z 得到的:商掉 n M 后,剩下由一个元素生成、同时满足 m 倍和 n 倍为零的循环群,其阶为 gcd ( m , n ) 。
张量函子右正合:若 A → f B → g C → 0 是正合列 公理库 正合列 Exact sequence 相邻同态满足前一映像等于后一核的一列模与同态。 ,则
A ⊗ R M → f ⊗ 1 B ⊗ R M → g ⊗ 1 C ⊗ R M ⟶ 0 也正合。证明的关键是 C ≅ B / im f :在 B ⊗ R M 中商掉 f ( a ) ⊗ m 生成的子模后,b ⊗ m 只依赖 b 在 C 中的类,于是泛性质给出该商与 C ⊗ R M 的互逆映射。因此后一映射满射,其核恰为前一映射的像。
它却不必保留单射。例如单射 Z → × 2 Z 与 Z / 2 Z 做张量后,变为 Z / 2 Z 上的乘二映射,即零映射。域上的向量空间张量保持正合列;一般环上的对应条件由平坦模 公理库 平坦模 Flat module · Flatness 张量后保留所有单射的模;以整数短正合列和局部化证明有理数模平坦但不投射。 刻画,该页用同一条整数正合列比较 Z / 2 Z 与 Q ,并证明后者虽平坦却不投射。
推论与应用
张量积的泛性质 公理库 泛性质 Universal property 在候选结构组成的范畴中以始对象或终对象刻画构造。 让多输入的线性问题可以逐步合并:双线性映射经张量积变为线性映射,更多输入则使用迭代张量积。进一步加入交替关系得到外代数 公理库 外代数 Exterior algebra 把张量代数按 v⊗v=0 的关系取商所得的分次代数。 ,用于表达有向面积、体积及微分形式。
对域扩张 E / F ,E ⊗ F V 把 F 上的向量空间扩成允许 E 系数的空间;张量网络则把大张量表示为多个较小张量的连接与缩并。在模论中,Hom–tensor 伴随描述张量映射与 Hom 映射之间的对应,而平坦模 公理库 平坦模 Flat module · Flatness 张量后保留所有单射的模;以整数短正合列和局部化证明有理数模平坦但不投射。 刻画哪些模在张量后仍保持正合列。
在模层 公理库 模层 Sheaf of modules · O-module sheaf 将局部函数作为标量定义模层,计算原点支撑的商层及张量失败,并区分茎、纤维和内部Hom。 中,张量先逐开集构造预层再层化,茎上的结果仍为普通模张量积。层的直像与逆像 公理库 层的直像与逆像 Direct image of a sheaf · Inverse image of a sheaf 沿连续映射构造层的直像与逆像,通过点嵌入区分芽和点值,并计算逆像与模拉回之间的标量变化。 进一步用它改变标量:闭点的普通逆像保留邻域中的芽,模拉回还要张量到剩余域,因而可能删去非零幂零信息。
在 Lie 代数表示中,张量空间上的作用为 a ( u ⊗ v ) = ( a u ) ⊗ v + u ⊗ ( a v ) 。sl₂ 的最高权分类与张量算例 公理库 sl₂ 的有限维不可约表示 Finite-dimensional irreducible representations of sl2 · sl2 最高权分类 从有限权链证明每个有限维复 sl₂ 不可约表示都是一个对称幂,并以两条显式最高权链完成 V₁⊗V₂ 的直和分解。 用这个规则把六维 V 1 ⊗ V 2 分成四维 V 3 与二维 V 1 ,逐项写出六个基向量,并用两个行列式核验直和性。