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Es el concepto de tensor de rango útil en la física?

El término "tensor de rango' es utilizado de forma esporádica en la matemática de la literatura para indicar el número mínimo de términos simples (es decir, el tensor de productos de vectores) necesarias para expresar el tensor. Esto es análogo (y equivalentes) a la habitual y frecuente de la noción de matriz de rango en álgebra lineal; un buen ejemplo de su uso en la literatura es la Exploración de Tensor de Rango por Benjamin Weitz. Es este concepto útil en la física?

Tenga en cuenta que no estoy preguntando sobre el número total de índices del tensor, como, por ejemplo, en este MathWorld artículo.

Por ejemplo, en la relatividad general, nos ocupamos de tensor de campos. Para un campo dado, puede el rango de un tensor en un punto de ser diferente que el rango del tensor en un punto diferente? ¿Hay algún significado físico a esto?

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Stefano Puntos 763

Ya hay muchas buenas respuestas. Los tensores y su descomposición en términos de simple los tensores son importantes para prácticamente cualquier tema de la física.

I) Para empezar, el análisis funcional y el operador de la teoría se utiliza en casi todas las ramas de la física. Y de clasificación en uno de los operadores

$$\tag{1} T~\in~{\cal L}(V;W)~\cong~ V^{*}\otimes W$$

son importantes los objetos aquí. E. g. en la teoría de información cuántica, como Zoltan Zimboras menciona en su respuesta. En particular, una densidad de operador es el rango que uno iff es un estado puro. Otra cosa es un estado mixto.

II) La lista sigue. También se pueden considerar por ejemplo, antisimétrica tensor de productos, llamados por lo general los productos exteriores y se denota con una cuña $\wedge$. E. g. totalmente skewsymmetric trivector campo

$$\etiqueta{2} \pi~=~\frac{1}{3!}\pi^{ijk} \partial_{i}\wedge\partial_{j} \wedge\partial_{k} ~\~\Gamma(\bigwedge{}^{\!3} TM) $$

en un colector $M$ es tradicionalmente llamado descomponible [1] si existen tres campos vectoriales $X,Y,Z \in \Gamma(TM)$ tal que

$$\tag{3} \pi~=~X\wedge Y\wedge Z.$$

El nombre descomponible trivector de campo (3) es un poco lamentable, porque (3) precisamente desempeña el papel de "atómica" bloques de construcción para todos los trivector-campos. [Es evidente que existe una generalización de (2) y (3) a $n$-multivector-campos.] A continuación, podemos utilizar (2) para formar un $3$-soporte

$$\etiqueta{4} \{f,g,h\}~=~\pi^{ijk}~ \partial_{i}f ~\partial_{j}g~ \partial_{k}h, \qquad f,g,h~\~C^{\infty}(M). $$

Nambu famoso investigó $3$-soportes en 1973, véase, por ejemplo, Ref. 1 y esta Phys.SE la respuesta. La mayoría de los autores parecen estar de acuerdo en que la correcta generalización de un Jacobi-como la identidad de una $3$-soporte es el llamado Filippov fundamental de la identidad (FI). Quizás sorprendentemente, uno puede demostrar [1] que el Filippov fundamental de la identidad implica decomposability (3) de un Nambu soporte, es decir, no existe la no-degradables Nambu-Poisson soportes.

Referencias:

  1. J. A. de Azcárraga y J. M. Izquierdo, $n$-ary álgebras: una revisión con aplicaciones, J. Phys. A43 (2010) 293001, arXiv:1005.1028.

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Sandeep Puntos 111

Yo puede construir fácilmente un ejemplo de suave tensor de campo de más de un colector de cuyo "rango" cambia dependiendo del punto. Mi idea se basa en la siguiente proposición elemental.

Insisto en que la noción de "rango" que se utiliza aquí es que la introdujo dentro de la pregunta original y no la norma.

La proposición. Considere la posibilidad de una $n$-dimensiones reales espacio vectorial $V$ y deje $e_1,e_2 \in V$ ser de un par de vectores linealmente independientes. El "enredados" tensor de $$e_1\otimes e_1 + k e_2 \otimes e_2$$ is of "rank" $2$ necessarily if $k\neq 0$, de lo contrario es de "rango" 1.

PRUEBA. Desde $e_1$ $e_2$ son linealmente independientes, hay una base $\{e_i\}_{i=1,\ldots,n}$ $V$ que contiene los dos. Suponga $k\neq 0$. Si el tensor se fo rango 1, es decir, $$e_1\otimes e_1 + k e_2 \otimes e_2= u\otimes v\quad (1)$$ como hemos $u= \sum_i u^i e_i$$v= \sum_j v^je_j$, (1) implicaría: $$e_1\otimes e_1 + k e_2 \otimes e_2= \sum_{i,j=1}^nu^iv^j e_i\otimes e_j\quad $$ y así: $$0= (u^1v^1-1) e_1\otimes e_1 + (u^2v^2-k) e_2\otimes e_2 + u^1v^2 e_1\otimes e_2 + u^2v^1 e_2\otimes e_1 + \sum_{i,j >2} u^iv^j e_i\otimes e_j\qquad (2)$$ Ya que, a su vez, $\{e_i\otimes e_j\}_{i,j=1,\ldots,n}$ es una base del espacio de tensores $V \otimes V$, (2) implica, en particular, que: $$u^1v^1= 1\:, \:\:u^2v^2= k\:,\:\: u^1v^2=u^2v^1=0$$ multiplicando juntos las dos primeras condiciones se tiene: $$u^1v^1u^2v^2 = k$$ mientras que los restantes implican: $$u^1v^2u^2v^1 = 0$$ que están en contradicción a menos $k=0$. QED

Así que considera un liso (Hausdorff) colector de dimensión $n$ y una función suave $\chi: M \to \mathbb R$ que constantemente se alcanza el valor de $1$ en un conjunto abierto $U\subset M$ y suavemente se desvanece antes de llegar a la frontera de otro conjunto abierto $U' \supset U$. Tomando $U$ $U'$ lo suficientemente pequeño siempre podemos suponer que $U'$ es equipado con coordenadas locales $x^1,\ldots, x^n$. Bajo estas hipótesis definir el buen campo tensorial $\Xi$$M$, de fuga fuera de $U'$:

$$\Xi(p) := \chi(p)\left(\frac{\partial}{\partial x^1}|_p \otimes \frac{\partial}{\partial x^1}|_p + k(p) \frac{\partial}{\partial x^2}|_p \otimes \frac{\partial}{\partial x^2}|_p\right) $$

donde $k: M \to \mathbb R$ es una función suave que desaparece en algún lugar de $U$, pero no en todas partes.

El campo de tensores $\Xi$ es suave, bien definida sobre el conjunto de la $M$, pero cambia su "rango" tres veces: $0$ fuera $U'$, $1$ y $2$ dentro $U$, dependiendo de la elección de $k$.

Aunque este ejemplo es completamente matemático, creo que con un poco más de elaboración, algunos de significado físico, podría ser dado a mi ejemplo, al menos cuando el sistema de coordenadas se define en el conjunto de colector de dimensión $4$ y el de Lorenz. El tensor es simétrico y podemos asumir que $x^1$ es de carácter temporal Minkowskian de coordenadas de modo que $\partial_{x^1}$ podría definir el marco del resto de algunos continua cuerpo y $\Xi$ su esfuerzo-tensor de energía. Suponiendo que este sistema interactúa con algún sistema externo, incluso la conservación de baja $\nabla_a\Xi^{ab}= J_{ext}^b$ pueden ser impuestas en el orden no tiene una función constante $k$.

6voto

SomeGuy Puntos 193

Como Emilio Pisanty señaló en un comentario a la respuesta de Joshphysics, en la física de la literatura "el rango de un tensor" significa algo diferente de cómo se utiliza en el buen papel de Benjamin Weitz que linked in. Sin embargo, también este tipo de "tensor de rango" aparece - en algún nivel - en la Relatividad General. Si usted piensa que el famoso Petrov clasificación del tensor de Weyl, puede (después de un breve cálculo) observar que: en los casos cuando el autovalor de la eigenbivectors del tensor de Weyl es degenerado, el tensor de rango del tensor de Weyl es reducido. (Sin embargo, tenga en cuenta que la clasificación de Petrov es mucho más y mucho más fina que un tensor de rango de la clasificación del tensor de Weyl.)

Fuera de la relatividad general, también los rangos se han utilizado en la teoría de información cuántica. Para una pura estados de un bipartito sistema cuántico, el "Schmidt rango" es exactamente un tensor de rango que se desea. Una noción similar también ha sido generalizado a los estados mixtos, o de la densidad de matrices, donde se define un "número de Schmidt", ver este enlace.

Mejor,Z

3voto

joshphysics Puntos 34367

Edit. Como EmilioPisanty señala a continuación, mi respuesta es irrelevante, porque no he entendido cuál es la noción de clasificación en el OP se refiere.

Sí, tensor de rango es un concepto útil en la física.

Por ejemplo, es útil en la distinción de los diferentes tensores de curvatura. El tensor de Riemann es el rango $4$, el Tensor de Ricci es el rango $2$, y el escalar de ricci es el rango $0$, como su nombre sugiere.

Es también un concepto útil porque inmediatamente se indica cómo los componentes del tensor va a transformar en virtud de transformaciones de coordenadas. Un tensor de rango $k$ va a transformar con $k$ factores de la jacobiana de la transformación de coordenadas.

El rango de un campo tensorial no cambia de un punto a otro (al menos en los tratamientos estándar). En coordinar los tratamientos de la geometría diferencial, un campo de tensores de rango $k$ puede ser definida como una correspondencia que asocia a cada punto de $p$ en el colector, un rango de $k$ tensor en el espacio de la tangente $T_pM$ a punto de $p$. Por esta definición, la constante rango del tensor de campo es inmediata.

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