Mathematical operation on vector spaces
数学 において 、 2 つの ベクトル空間 と (同じ 体 上)の テンソル積は、 ペアを で表される の元に写像する 双線型写像 が関連付けられているベクトル空間です 。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V {\displaystyle V} W {\displaystyle W} V × W → V ⊗ W {\displaystyle V\times W\rightarrow V\otimes W} ( v , w ) , v ∈ V , w ∈ W {\displaystyle (v,w),\ v\in V,w\in W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w}
の形の元は、 と の テンソル積 と呼ばれます 。 の元は テンソル であり 、2つのベクトルのテンソル積は、 基本テンソル または 分解可能テンソル と呼ばれることもあります。基本テンソルは、 のすべての元 が基本テンソルの和である という意味で 張られます 。との 基底 が与えられている場合、 の基底元 と の基底元のすべてのテンソル積によって の基底が形成されます 。 v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w} v {\displaystyle v} w {\displaystyle w} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V {\displaystyle V} W {\displaystyle W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V {\displaystyle V} W {\displaystyle W}
2 つのベクトル空間のテンソル積は、 から 別のベクトル空間への双線型写像が 線型写像 を通じて一意に因数分解されるという意味で、すべての双線型写像の特性を捉えています (§ 普遍性を参照)。つまり、双線型写像は、テンソル積から への一意の線型写像に関連付けられています 。 V × W {\displaystyle V\times W} Z {\displaystyle Z} V ⊗ W → Z {\displaystyle V\otimes W\to Z} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} Z {\displaystyle Z}
テンソル積は、物理学や工学を含む多くの応用分野で用いられています。例えば、 一般相対論 では、 重力場は 計量テンソル によって記述されます。計量テンソル は、 時空 多様体 の各点に1つのテンソルを持つ テンソル場 であり、各テンソルは、その点における 余接空間 とそれ自身とのテンソル積に属します。
定義と構成 2つのベクトル空間のテンソル 積 は、同型 を 除いて 定義されるベクトル空間である 。テンソル積を定義する方法はいくつかあり、それらは同値である。その多くは、テンソル積と呼ばれるベクトル空間を明示的に定義することから成り、一般に、同値性の証明は、このように定義されたベクトル空間の基本的な性質からほぼ直ちに得られる。
テンソル積は 普遍性 によって定義することもできます。詳しくは後述の§ 普遍性を参照してください。あらゆる普遍性と同様に、その性質を満たすすべての オブジェクトは 、その普遍性に適合する唯一の同型性によって同型です。この定義を用いると、他の定義は普遍性を満たすオブジェクトの構成と見なすことができ、普遍性を満たすオブジェクトが存在すること、つまりテンソル積が存在することの証明と見なすことができます。
基地から V と W を 、それぞれ 基底 と を持つ 体 F 上の 2つの ベクトル空間 とします 。 B V {\displaystyle B_{V}} B W {\displaystyle B_{W}}
V と W の テンソル 積は 、および を 満たすすべての関数の集合を基底とするベクトル空間です 。この定義は次のように形式化できます(この形式化は実際にはほとんど使用されませんが、前述の非公式な定義で通常は十分です)。は 、有限個の非零値を持つ直積 から F へ の 関数 の集合です。 点ごとの演算は ベクトル空間を構成します。を 1 に 、 の他の要素を 0 に 写像する関数は と 表記されます 。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w} v ∈ B V {\displaystyle v\in B_{V}} w ∈ B W {\displaystyle w\in B_{W}} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} B V × B W {\displaystyle B_{V}\times B_{W}} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} ( v , w ) {\displaystyle (v,w)} B V × B W {\displaystyle B_{V}\times B_{W}} v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w}
すると、この集合は単純に の基底となり 、これは と の テンソル積 と呼ばれます。 { v ⊗ w ∣ v ∈ B V , w ∈ B W } {\displaystyle \{v\otimes w\mid v\in B_{V},w\in B_{W}\}} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} B V {\displaystyle B_{V}} B W {\displaystyle B_{W}}
の有限個の元においてのみ非零となる 上の 双線型形式 の集合を と 定義することも同値です 。これを確認するには、 と双線型形式 が与えられている場合、 と を基底 および で次のように 分解します 。 ここで、 と は有限個の元においてのみ 非 零であり、 の双線型性によって次式を得ます 。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V × W {\displaystyle V\times W} B V × B W {\displaystyle B_{V}\times B_{W}} ( x , y ) ∈ V × W {\displaystyle (x,y)\in V\times W} B : V × W → F {\displaystyle B:V\times W\to F} x {\displaystyle x} y {\displaystyle y} B V {\displaystyle B_{V}} B W {\displaystyle B_{W}} x = ∑ v ∈ B V x v v and y = ∑ w ∈ B W y w w , {\displaystyle x=\sum _{v\in B_{V}}x_{v}\,v\quad {\text{and}}\quad y=\sum _{w\in B_{W}}y_{w}\,w,} x v {\displaystyle x_{v}} y w {\displaystyle y_{w}} B {\displaystyle B} B ( x , y ) = ∑ v ∈ B V ∑ w ∈ B W x v y w B ( v , w ) {\displaystyle B(x,y)=\sum _{v\in B_{V}}\sum _{w\in B_{W}}x_{v}y_{w}\,B(v,w)}
したがって、任意の に対する の値は、 でそれが取る値によって一意かつ完全に決定されることがわかります。これにより、以前と同様 に で定義された 写像を 双線型写像 に拡張することができます 。 B {\displaystyle B} ( x , y ) ∈ V × W {\displaystyle (x,y)\in V\times W} B V × B W {\displaystyle B_{V}\times B_{W}} v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w} B V × B W {\displaystyle B_{V}\times B_{W}} v ⊗ w : V × W → F {\displaystyle v\otimes w:V\times W\to F} ( v ⊗ w ) ( x , y ) := ∑ v ′ ∈ B V ∑ w ′ ∈ B W x v ′ y w ′ ( v ⊗ w ) ( v ′ , w ′ ) = x v y w . {\displaystyle (v\otimes w)(x,y):=\sum _{v'\in B_{V}}\sum _{w'\in B_{W}}x_{v'}y_{w'}\,(v\otimes w)(v',w')=x_{v}\,y_{w}.}
すると、任意の双線型形式は、 次のように写像 の(潜在的に無限の)形式的線型結合として表現できます。 これらの写像は、 上のすべての双線型形式の ベクトル空間に対する Schauder基底 に類似したものになります。代わりにこれを適切なHamel 基底にするには、 の有限個の元において のみ が非ゼロであるという要件を追加し 、代わりにそのような写像の部分空間を考慮するだけです。 B {\displaystyle B} v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w} B = ∑ v ∈ B V ∑ w ∈ B W B ( v , w ) ( v ⊗ w ) {\displaystyle B=\sum _{v\in B_{V}}\sum _{w\in B_{W}}B(v,w)(v\otimes w)} Hom ( V , W ; F ) {\displaystyle {\text{Hom}}(V,W;F)} V × W {\displaystyle V\times W} B {\displaystyle B} B V × B W {\displaystyle B_{V}\times B_{W}}
どちらの構成でも、 2つのベクトルのテンソル積は 、それらの基底分解から定義されます。より正確には、前述 と 同様に、とを基底分解すると、次のようになります。 x ∈ V {\displaystyle x\in V} y ∈ W {\displaystyle y\in W} x ⊗ y = ( ∑ v ∈ B V x v v ) ⊗ ( ∑ w ∈ B W y w w ) = ∑ v ∈ B V ∑ w ∈ B W x v y w v ⊗ w . {\displaystyle {\begin{aligned}x\otimes y&={\biggl (}\sum _{v\in B_{V}}x_{v}\,v{\biggr )}\otimes {\biggl (}\sum _{w\in B_{W}}y_{w}\,w{\biggr )}\\[5mu]&=\sum _{v\in B_{V}}\sum _{w\in B_{W}}x_{v}y_{w}\,v\otimes w.\end{aligned}}}
この定義は、上で行ったように、基底 と を用いたの双線型展開における の係数から非常に明確に導かれます。この定義を用いると、写像が から へ の双線型写像であり、 テンソル積の任意の構成が
満たす 普遍性 (下記参照)を満たす ことが容易に証明できます。 B ( v , w ) {\displaystyle B(v,w)} B ( x , y ) {\displaystyle B(x,y)} B V {\displaystyle B_{V}} B W {\displaystyle B_{W}} ⊗ : ( x , y ) ↦ x ⊗ y {\displaystyle {\otimes }:(x,y)\mapsto x\otimes y} V × W {\displaystyle V\times W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W}
長方形の配列に並べると、 の 座標ベクトル は の座標ベクトルの 外積 になります 。したがって、テンソル積は外積の一般化、つまり座標ベクトルを超えた抽象化です 。 x ⊗ y {\displaystyle x\otimes y} x {\displaystyle x} y {\displaystyle y}
このテンソル積の定義の限界は、基底を変更すると異なるテンソル積が定義されることです。しかしながら、一方の基底の元を他方の基底に分解することにより、ベクトル空間の2つのテンソル積の間に 標準同型が定義され、これらを同一視することが可能になります。また、以下の2つの代替定義とは異なり、この定義は 環 上の 加群のテンソル積 の定義には拡張できません 。
商空間として 基底に依存しないテンソル積の構築は、次のようにして得ることができます。
V と Wを 体 F 上の 2 つの ベクトル空間 とします 。
まず、 直積を 基底 とする ベクトル空間 L を考えます。つまり、 L の基底元はと の ペア です。このようなベクトル空間を得るには、 有限個の非零値を持ち、 かつ で 1 、 それ以外で 0を とる 関数と同一視される 関数 のベクトル空間として定義することができます 。 V × W {\displaystyle V\times W} ( v , w ) {\displaystyle (v,w)} v ∈ V {\displaystyle v\in V} w ∈ W {\displaystyle w\in W} V × W → F {\displaystyle V\times W\to F} ( v , w ) {\displaystyle (v,w)} ( v , w ) {\displaystyle (v,w)}
R を L の 線型部分空間 とし 、テンソル積が満たすべき関係式によって張られるものとする。より正確には、 R は 以下 のいずれかの形式の元 によって張られる。
( v 1 + v 2 , w ) − ( v 1 , w ) − ( v 2 , w ) , ( v , w 1 + w 2 ) − ( v , w 1 ) − ( v , w 2 ) , ( s v , w ) − s ( v , w ) , ( v , s w ) − s ( v , w ) , {\displaystyle {\begin{aligned}(v_{1}+v_{2},w)&-(v_{1},w)-(v_{2},w),\\(v,w_{1}+w_{2})&-(v,w_{1})-(v,w_{2}),\\(sv,w)&-s(v,w),\\(v,sw)&-s(v,w),\end{aligned}}} ここで v , v 1 , v 2 ∈ V {\displaystyle v,v_{1},v_{2}\in V} 、 および 。 w , w 1 , w 2 ∈ W {\displaystyle w,w_{1},w_{2}\in W} s ∈ F {\displaystyle s\in F}
そして、テンソル積は 商空間 として定義されます。
V ⊗ W = L / R , {\displaystyle V\otimes W=L/R,} そしてこの商における の像は と表される 。 ( v , w ) {\displaystyle (v,w)} v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w}
この構成の結果が以下で検討する 普遍性を満たすことは簡単に証明できます。(非常によく似た構成を使用して、 モジュールのテンソル積 を定義できます 。)
普遍的な財産 テンソル積の普遍性: h が双線型ならば、唯一の線型写像が存在する 〜 h これにより、図は 可換となる (つまり、 h = 〜 h ∘ φ )。 この節では、テンソル積が満たす 普遍性 について述べる。すべての普遍性と同様に、この性質を満たす2つの対象は、一意の 同型性 によって関連付けられる。したがって、これは2つのベクトル空間のテンソル積を定義する(非構成的な)方法である。この文脈において、これまでのテンソル積の構成は、このように定義されたテンソル積の存在証明と見なすことができる。
このアプローチの結果、テンソル積のすべての特性は普遍特性から演繹することができ、実際にはその存在を証明するために使用された方法を忘れてしまう可能性があります。
2 つのベクトル空間のテンソル積の「普遍性定義」は次のとおりです ( 双線型写像は、 各引数に対して 個別に 線形である 関数であることを思い出してください)。
2 つのベクトル空間 V と W のテンソル 積は、 と表記されるベクトル空間と、 から への 双線型写像から成り 、すべての双線型写像 に対して、となる 一意の 線型写像 が存在します (つまり、すべての と に対して となります )。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} φ : ( v , w ) ↦ v ⊗ w {\displaystyle {\varphi }:(v,w)\mapsto v\otimes w} V × W {\displaystyle V\times W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} h : V × W → Z {\displaystyle h:V\times W\to Z} h ~ : V ⊗ W → Z {\displaystyle {\tilde {h}}:V\otimes W\to Z} h = h ~ ∘ φ {\displaystyle h={\tilde {h}}\circ {\varphi }} h ( v , w ) = h ~ ( v ⊗ w ) {\displaystyle h(v,w)={\tilde {h}}(v\otimes w)} v ∈ V {\displaystyle v\in V} w ∈ W {\displaystyle w\in W}
線形分離 上記の普遍的性質と同様に、次の特徴付けは、与えられたベクトル空間と与えられた双線形写像がテンソル積を形成するかどうかを判断するためにも使用できます。
定理 — 、 X , Y {\displaystyle X,Y} および を複素ベクトル空間とし、を 双線型写像とする。このとき 、がおよび のテンソル積となるのは、 の像が 全体を張る (つまり、 )場合のみであり 、また、 およびは -線型的に互いに素 であり 、これは定義により、すべての正の整数 および となるすべての元 およびに対して 、 Z {\displaystyle Z} T : X × Y → Z {\displaystyle T:X\times Y\to Z} ( Z , T ) {\displaystyle (Z,T)} X {\displaystyle X} Y {\displaystyle Y} T {\displaystyle T} Z {\displaystyle Z} span T ( X × Y ) = Z {\displaystyle \operatorname {span} \;T(X\times Y)=Z} X {\displaystyle X} Y {\displaystyle Y} T {\displaystyle T} n {\displaystyle n} x 1 , … , x n ∈ X {\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{n}\in X} y 1 , … , y n ∈ Y {\displaystyle y_{1},\ldots ,y_{n}\in Y} ∑ i = 1 n T ( x i , y i ) = 0 {\displaystyle \sum _{i=1}^{n}T\left(x_{i},y_{i}\right)=0}
すべてが線形独立であれば 、 すべて が であり 、 x 1 , … , x n {\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{n}} y i {\displaystyle y_{i}} 0 {\displaystyle 0} すべて が線形独立であれば、すべてが です 。 y 1 , … , y n {\displaystyle y_{1},\ldots ,y_{n}} x i {\displaystyle x_{i}} 0 {\displaystyle 0} 同様に、 と が-線形に互いに素 で ある場合、かつ 内 のすべての線形 独立なシーケンスに対して ベクトルが 線形独立である場合に限ります。 X {\displaystyle X} Y {\displaystyle Y} T {\displaystyle T} x 1 , … , x m {\displaystyle x_{1},\ldots ,x_{m}} X {\displaystyle X} y 1 , … , y n {\displaystyle y_{1},\ldots ,y_{n}} Y {\displaystyle Y} { T ( x i , y j ) : 1 ≤ i ≤ m , 1 ≤ j ≤ n } {\displaystyle \left\{T\left(x_{i},y_{j}\right):1\leq i\leq m,1\leq j\leq n\right\}}
例えば、 X = C m {\displaystyle X=\mathbb {C} ^{m}} と Y = C n {\displaystyle Y=\mathbb {C} ^{n}} (ただし、 と は正の整数)であれば、 のテンソル積を形成するように双線型写像を設定して定義することができること が 直ちに 分かる 。 [ この写像はしばしば と 表記され、 m {\displaystyle m} n {\displaystyle n} Z = C m n {\displaystyle Z=\mathbb {C} ^{mn}} T : C m × C n → C m n ( x , y ) = ( ( x 1 , … , x m ) , ( y 1 , … , y n ) ) ↦ ( x i y j ) j = 1 , … , n i = 1 , … , m {\displaystyle {\begin{aligned}T:\mathbb {C} ^{m}\times \mathbb {C} ^{n}&\to \mathbb {C} ^{mn}\\(x,y)=((x_{1},\ldots ,x_{m}),(y_{1},\ldots ,y_{n}))&\mapsto (x_{i}y_{j})_{\stackrel {i=1,\ldots ,m}{j=1,\ldots ,n}}\end{aligned}}} X {\displaystyle X} Y {\displaystyle Y} T {\displaystyle T} ⊗ {\displaystyle \,\otimes \,} x ⊗ y = T ( x , y ) . {\displaystyle x\otimes y=T(x,y).}
別の例として、 が、 点ごとに定義された加算とスカラー乗算を持つ 集合上のすべての複素数値関数のベクトル空間であるとします(つまり、 は写像であり 、 は写像 です)。および を 任意の集合とし、任意の に対して 、 を で 定義 さ れる関数とします 。 および がベクトル部分空間である場合、 の ベクトル部分空間は 双線型写像と合わせて、 と のテンソル積を形成します 。 C S {\displaystyle \mathbb {C} ^{S}} S {\displaystyle S} f + g {\displaystyle f+g} s ↦ f ( s ) + g ( s ) {\displaystyle s\mapsto f(s)+g(s)} c f {\displaystyle cf} s ↦ c f ( s ) {\displaystyle s\mapsto cf(s)} S {\displaystyle S} T {\displaystyle T} f ∈ C S {\displaystyle f\in \mathbb {C} ^{S}} g ∈ C T {\displaystyle g\in \mathbb {C} ^{T}} f ⊗ g ∈ C S × T {\displaystyle f\otimes g\in \mathbb {C} ^{S\times T}} ( s , t ) ↦ f ( s ) g ( t ) {\displaystyle (s,t)\mapsto f(s)g(t)} X ⊆ C S {\displaystyle X\subseteq \mathbb {C} ^{S}} Y ⊆ C T {\displaystyle Y\subseteq \mathbb {C} ^{T}} Z := span { f ⊗ g : f ∈ X , g ∈ Y } {\displaystyle Z:=\operatorname {span} \left\{f\otimes g:f\in X,g\in Y\right\}} C S × T {\displaystyle \mathbb {C} ^{S\times T}} X × Y → Z ( f , g ) ↦ f ⊗ g {\displaystyle {\begin{alignedat}{4}\;&&X\times Y&&\;\to \;&Z\\[0.3ex]&&(f,g)&&\;\mapsto \;&f\otimes g\\\end{alignedat}}} X {\displaystyle X} Y {\displaystyle Y}
プロパティ
寸法 V と W が 有限次元 のベクトル空間である 場合 、 は有限次元であり、その次元は V と W の次元の積です 。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W}
これは、 の基底が、 V の基底要素と W の基底要素のすべてのテンソル積を取ることによって形成されるという事実から生じます 。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W}
結合性 テンソル積は、3つのベクトル空間が与えられたとき に 、 標準同型が存在する という意味で 結合的です。 U , V , W {\displaystyle U,V,W}
( U ⊗ V ) ⊗ W ≅ U ⊗ ( V ⊗ W ) , {\displaystyle (U\otimes V)\otimes W\cong U\otimes (V\otimes W),} これは にマッピングされます 。 ( u ⊗ v ) ⊗ w {\displaystyle (u\otimes v)\otimes w} u ⊗ ( v ⊗ w ) {\displaystyle u\otimes (v\otimes w)}
これにより、2 つ以上のベクトル空間またはベクトルのテンソル積で括弧を省略できるようになります。
ベクトル空間演算としての可換性 2つのベクトル空間のテンソル積は 、 標準同型が存在するという意味で 可換 である。 V {\displaystyle V} W {\displaystyle W}
V ⊗ W ≅ W ⊗ V , {\displaystyle V\otimes W\cong W\otimes V,} これは にマッピングされます 。 v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w} w ⊗ v {\displaystyle w\otimes v}
一方、 V = W {\displaystyle V=W} の場合でも、ベクトルのテンソル積は可換ではありません。つまり 、一般に です。 v ⊗ w ≠ w ⊗ v {\displaystyle v\otimes w\neq w\otimes v}
からそれ自身への 写像は、 線形 自己同型写像 を誘導し、これは x ⊗ y ↦ y ⊗ x {\displaystyle x\otimes y\mapsto y\otimes x} V ⊗ V {\displaystyle V\otimes V} 組紐写像 。より一般的に、そして通常通り( テンソル代数 )、 ベクトル空間 V n 個 のテンソル積を 。 最初の n 個の 順列 s 、写像: V ⊗ n {\displaystyle V^{\otimes n}}
x 1 ⊗ ⋯ ⊗ x n ↦ x s ( 1 ) ⊗ ⋯ ⊗ x s ( n ) {\displaystyle x_{1}\otimes \cdots \otimes x_{n}\mapsto x_{s(1)}\otimes \cdots \otimes x_{s(n)}} V ⊗ n → V ⊗ n {\displaystyle V^{\otimes n}\to V^{\otimes n}} の線形自己同型写像を誘導します 。これは編組写像と呼ばれます。
線形写像のテンソル積 線型写像 f : U → V {\displaystyle f:U\to V} とベクトル空間 W が与えられた場合、 テンソル積は次のようになります。
f ⊗ W : U ⊗ W → V ⊗ W {\displaystyle f\otimes W:U\otimes W\to V\otimes W} は、次の唯一の線形写像である。
( f ⊗ W ) ( u ⊗ w ) = f ( u ) ⊗ w . {\displaystyle (f\otimes W)(u\otimes w)=f(u)\otimes w.} テンソル積 も同様に定義されます。 W ⊗ f {\displaystyle W\otimes f}
2つの線形写像 と が与えられた場合、それらのテンソル積は次のようになります。 f : U → V {\displaystyle f:U\to V} g : W → Z {\displaystyle g:W\to Z}
f ⊗ g : U ⊗ W → V ⊗ Z {\displaystyle f\otimes g:U\otimes W\to V\otimes Z} は次を満たす唯一の線形写像である。
( f ⊗ g ) ( u ⊗ w ) = f ( u ) ⊗ g ( w ) . {\displaystyle (f\otimes g)(u\otimes w)=f(u)\otimes g(w).} 1つは以下を持っています:
f ⊗ g = ( f ⊗ Z ) ∘ ( U ⊗ g ) = ( V ⊗ g ) ∘ ( f ⊗ W ) . {\displaystyle f\otimes g=(f\otimes Z)\circ (U\otimes g)=(V\otimes g)\circ (f\otimes W).} 圏論の観点 から言えば 、これはテンソル積がベクトル空間の 圏 からそれ自身への 双関数で あることを意味する。 [3]
f と g が 両方とも 単射 または 全射で ある場合 、上で定義されたすべての線型写像についても同様です。特に、ベクトル空間とのテンソル積は 完全関数 です。これは、すべての 完全列 が完全列に写像されることを意味します( 加群のテンソル積は 単射を単射に変換するものではありませんが、 完全関数 です)。
関係するすべてのベクトル空間の基底を選択することで、線型写像 f と g は行列 で表すことができます 。テンソルの ベクトル化方法に応じて、テンソル積を記述する行列は2つの行列の クロネッカー積に なります 。例えば、上記の V 、 X 、 W 、 U がすべて2次元で、それらの基底がすべて固定されており、 f と g が それぞれ行列 で与えられている場合、
これら 2つの行列のテンソル積は次のようになります。 v ⊗ w {\displaystyle v\otimes w} f ⊗ g {\displaystyle f\otimes g} A = [ a 1 , 1 a 1 , 2 a 2 , 1 a 2 , 2 ] , B = [ b 1 , 1 b 1 , 2 b 2 , 1 b 2 , 2 ] , {\displaystyle A={\begin{bmatrix}a_{1,1}&a_{1,2}\\a_{2,1}&a_{2,2}\\\end{bmatrix}},\qquad B={\begin{bmatrix}b_{1,1}&b_{1,2}\\b_{2,1}&b_{2,2}\\\end{bmatrix}},} [ a 1 , 1 a 1 , 2 a 2 , 1 a 2 , 2 ] ⊗ [ b 1 , 1 b 1 , 2 b 2 , 1 b 2 , 2 ] = [ a 1 , 1 [ b 1 , 1 b 1 , 2 b 2 , 1 b 2 , 2 ] a 1 , 2 [ b 1 , 1 b 1 , 2 b 2 , 1 b 2 , 2 ] a 2 , 1 [ b 1 , 1 b 1 , 2 b 2 , 1 b 2 , 2 ] a 2 , 2 [ b 1 , 1 b 1 , 2 b 2 , 1 b 2 , 2 ] ] = [ a 1 , 1 b 1 , 1 a 1 , 1 b 1 , 2 a 1 , 2 b 1 , 1 a 1 , 2 b 1 , 2 a 1 , 1 b 2 , 1 a 1 , 1 b 2 , 2 a 1 , 2 b 2 , 1 a 1 , 2 b 2 , 2 a 2 , 1 b 1 , 1 a 2 , 1 b 1 , 2 a 2 , 2 b 1 , 1 a 2 , 2 b 1 , 2 a 2 , 1 b 2 , 1 a 2 , 1 b 2 , 2 a 2 , 2 b 2 , 1 a 2 , 2 b 2 , 2 ] . {\displaystyle {\begin{aligned}{\begin{bmatrix}a_{1,1}&a_{1,2}\\a_{2,1}&a_{2,2}\\\end{bmatrix}}\otimes {\begin{bmatrix}b_{1,1}&b_{1,2}\\b_{2,1}&b_{2,2}\\\end{bmatrix}}&={\begin{bmatrix}a_{1,1}{\begin{bmatrix}b_{1,1}&b_{1,2}\\b_{2,1}&b_{2,2}\\\end{bmatrix}}&a_{1,2}{\begin{bmatrix}b_{1,1}&b_{1,2}\\b_{2,1}&b_{2,2}\\\end{bmatrix}}\\[3pt]a_{2,1}{\begin{bmatrix}b_{1,1}&b_{1,2}\\b_{2,1}&b_{2,2}\\\end{bmatrix}}&a_{2,2}{\begin{bmatrix}b_{1,1}&b_{1,2}\\b_{2,1}&b_{2,2}\\\end{bmatrix}}\\\end{bmatrix}}\\&={\begin{bmatrix}a_{1,1}b_{1,1}&a_{1,1}b_{1,2}&a_{1,2}b_{1,1}&a_{1,2}b_{1,2}\\a_{1,1}b_{2,1}&a_{1,1}b_{2,2}&a_{1,2}b_{2,1}&a_{1,2}b_{2,2}\\a_{2,1}b_{1,1}&a_{2,1}b_{1,2}&a_{2,2}b_{1,1}&a_{2,2}b_{1,2}\\a_{2,1}b_{2,1}&a_{2,1}b_{2,2}&a_{2,2}b_{2,1}&a_{2,2}b_{2,2}\\\end{bmatrix}}.\end{aligned}}}
結果のランクは最大 4 なので、結果の次元は 4 になります。 ここでの rank は テンソルのランク 、つまり必要なインデックスの数を示します (一方、 行列の rank は結果の配列の自由度の数をカウントします)。 Tr A ⊗ B = Tr A × Tr B {\displaystyle \operatorname {Tr} A\otimes B=\operatorname {Tr} A\times \operatorname {Tr} B} 。
二 項積は 、同じ次元の 2 つのベクトル間のテンソル積の特殊なケースです。
一般テンソル 非負の整数 r と s に対して、ベクトル空間 V 上の型 テンソルは 次の要素です。 ここでは 、双対ベクトル空間 ( V から 基底体 K へのすべての線形写像 f から構成されます)です 。 ( r , s ) {\displaystyle (r,s)} T s r ( V ) = V ⊗ ⋯ ⊗ V ⏟ r ⊗ V ∗ ⊗ ⋯ ⊗ V ∗ ⏟ s = V ⊗ r ⊗ ( V ∗ ) ⊗ s . {\displaystyle T_{s}^{r}(V)=\underbrace {V\otimes \cdots \otimes V} _{r}\otimes \underbrace {V^{*}\otimes \cdots \otimes V^{*}} _{s}=V^{\otimes r}\otimes \left(V^{*}\right)^{\otimes s}.} V ∗ {\displaystyle V^{*}}
テンソルの(テンソル)積 と呼ばれる積写像がある : [4] T s r ( V ) ⊗ K T s ′ r ′ ( V ) → T s + s ′ r + r ′ ( V ) . {\displaystyle T_{s}^{r}(V)\otimes _{K}T_{s'}^{r'}(V)\to T_{s+s'}^{r+r'}(V).}
これは、発生するすべての「因子」 Vを グループ 化することによって定義されます。V の要素 と 双対空間の要素については次のように書きます。 v i {\displaystyle v_{i}} f i {\displaystyle f_{i}} ( v 1 ⊗ f 1 ) ⊗ ( v 1 ′ ) = v 1 ⊗ v 1 ′ ⊗ f 1 . {\displaystyle (v_{1}\otimes f_{1})\otimes (v'_{1})=v_{1}\otimes v'_{1}\otimes f_{1}.}
V が有限次元の場合、 V の基底 とそれに対応する の 双対基底 を選ぶと、自然にの 基底が導かれます (この基底については クロネッカー積の記事 で説明されています)。これらの基底を用いて、 2つ(またはそれ以上)の テンソル の(テンソル)積の 成分 を計算することができます。例えば、 F と G がそれぞれ m 次と n 次の共変 テンソル (つまり と ) で ある場合 、それらのテンソル積の成分は次のように与えられます。 [5] V ∗ {\displaystyle V^{*}} T s r ( V ) {\displaystyle T_{s}^{r}(V)} F ∈ T m 0 {\displaystyle F\in T_{m}^{0}} G ∈ T n 0 {\displaystyle G\in T_{n}^{0}} ( F ⊗ G ) i 1 i 2 ⋯ i m + n = F i 1 i 2 ⋯ i m G i m + 1 i m + 2 i m + 3 ⋯ i m + n . {\displaystyle (F\otimes G)_{i_{1}i_{2}\cdots i_{m+n}}=F_{i_{1}i_{2}\cdots i_{m}}G_{i_{m+1}i_{m+2}i_{m+3}\cdots i_{m+n}}.}
したがって、2つのテンソルのテンソル積の成分は、それぞれのテンソルの成分の通常の積です。別の例: Uを (1, 1) 型の成分 U β α {\displaystyle U_{\beta }^{\alpha }} を持つテンソルと し、 Vを 型の成分 を持つテンソルとします 。すると、 次のようになります。 ( 1 , 0 ) {\displaystyle (1,0)} V γ {\displaystyle V^{\gamma }} ( U ⊗ V ) α β γ = U α β V γ {\displaystyle \left(U\otimes V\right)^{\alpha }{}_{\beta }{}^{\gamma }=U^{\alpha }{}_{\beta }V^{\gamma }} ( V ⊗ U ) μ ν σ = V μ U ν σ . {\displaystyle (V\otimes U)^{\mu \nu }{}_{\sigma }=V^{\mu }U^{\nu }{}_{\sigma }.}
テンソルは積演算を備え 、 テンソル代数と呼ばれる 代数 を形成します。
評価マップとテンソル収縮 (1, 1) 型のテンソルに対しては、 純粋なテンソルに対する作用によって定義される
標準的な 評価マップ が存在する。 V ⊗ V ∗ → K {\displaystyle V\otimes V^{*}\to K} v ⊗ f ↦ f ( v ) . {\displaystyle v\otimes f\mapsto f(v).}
より一般的には、 ( r , s ) {\displaystyle (r,s)} 型のテンソル ( r 、 s > 0 )の場合、 テンソル縮約 と呼ばれるマップが存在します 。 (このマップを適用する と のコピーを 指定する必要があります。) T s r ( V ) → T s − 1 r − 1 ( V ) . {\displaystyle T_{s}^{r}(V)\to T_{s-1}^{r-1}(V).} V {\displaystyle V} V ∗ {\displaystyle V^{*}}
一方、 が 有限次元 の場合、逆方向には標準写像( 共評価写像 と呼ばれる)が存在する。 ここでは の任意の基底 、 はその 双対基底 である。この写像は基底の選択に依存しない。 [6] V {\displaystyle V} { K → V ⊗ V ∗ λ ↦ ∑ i λ v i ⊗ v i ∗ {\displaystyle {\begin{cases}K\to V\otimes V^{*}\\\lambda \mapsto \sum _{i}\lambda v_{i}\otimes v_{i}^{*}\end{cases}}} v 1 , … , v n {\displaystyle v_{1},\ldots ,v_{n}} V {\displaystyle V} v i ∗ {\displaystyle v_{i}^{*}}
評価と共評価の相互作用は、基底を参照せずに有限次元ベクトル空間を特徴付けるために使用できます。 [7]
随伴表現 テンソル積は、 対角作用によって リー代数 のモジュールとして自然に考えることができる。簡単のため、 と仮定すると、各 に対して、
は u の 転置 であり 、つまり 上の明らかなペアリングに関して 、 T s r ( V ) {\displaystyle T_{s}^{r}(V)} E n d ( V ) {\displaystyle \mathrm {End} (V)} r = s = 1 {\displaystyle r=s=1} u ∈ E n d ( V ) {\displaystyle u\in \mathrm {End} (V)} u ( a ⊗ b ) = u ( a ) ⊗ b − a ⊗ u ∗ ( b ) , {\displaystyle u(a\otimes b)=u(a)\otimes b-a\otimes u^{*}(b),} u ∗ ∈ E n d ( V ∗ ) {\displaystyle u^{*}\in \mathrm {End} \left(V^{*}\right)} V ⊗ V ∗ {\displaystyle V\otimes V^{*}} ⟨ u ( a ) , b ⟩ = ⟨ a , u ∗ ( b ) ⟩ . {\displaystyle \langle u(a),b\rangle =\langle a,u^{*}(b)\rangle .}
次のような標準的な同型性がある : T 1 1 ( V ) → E n d ( V ) {\displaystyle T_{1}^{1}(V)\to \mathrm {End} (V)} ( a ⊗ b ) ( x ) = ⟨ x , b ⟩ a . {\displaystyle (a\otimes b)(x)=\langle x,b\rangle a.}
この同型性の下では、 の任意 の u は、まず の準同型として見ることができ 、次に の準同型として見ることが でき ます。実際、これは の 随伴表現 ad( u ) です。 E n d ( V ) {\displaystyle \mathrm {End} (V)} T 1 1 ( V ) {\displaystyle T_{1}^{1}(V)} E n d ( V ) {\displaystyle \mathrm {End} (V)} E n d ( V ) {\displaystyle \mathrm {End} (V)}
テンソルとしての線形写像 同じ体 K 上の二つの有限次元ベクトル空間 U 、 V が与えられ、 U の 双対空間を U* 、 U から V への すべての線型写像の成す K ベクトル空間をHom( U , V ) と表記する 。同型写像が存在する。これは、 の元への 純粋テンソルの作用によって定義される 。 U ∗ ⊗ V ≅ H o m ( U , V ) , {\displaystyle U^{*}\otimes V\cong \mathrm {Hom} (U,V),} f ⊗ v ∈ U ∗ ⊗ V {\displaystyle f\otimes v\in U^{*}\otimes V} U {\displaystyle U} ( f ⊗ v ) ( u ) = f ( u ) v . {\displaystyle (f\otimes v)(u)=f(u)v.}
その「逆」は、上記の「評価マップとテンソル収縮」のセクションのように、 基底 とその双対基底を使用して定義できます。 { u i } {\displaystyle \{u_{i}\}} { u i ∗ } {\displaystyle \{u_{i}^{*}\}} { H o m ( U , V ) → U ∗ ⊗ V F ↦ ∑ i u i ∗ ⊗ F ( u i ) . {\displaystyle {\begin{cases}\mathrm {Hom} (U,V)\to U^{*}\otimes V\\F\mapsto \sum _{i}u_{i}^{*}\otimes F(u_{i}).\end{cases}}}
この結果は次を意味します。
これは、 U と V の基底で ある の基底を形成する 重要な事実を自動的に示します 。 dim ( U ⊗ V ) = dim ( U ) dim ( V ) , {\displaystyle \dim(U\otimes V)=\dim(U)\dim(V),} { u i ⊗ v j } {\displaystyle \{u_{i}\otimes v_{j}\}} U ⊗ V {\displaystyle U\otimes V} { u i } , { v j } {\displaystyle \{u_{i}\},\{v_{j}\}}
さらに、3 つのベクトル空間 U 、 V 、 W が与えられている場合、テンソル積は 次のように すべての線形マップのベクトル空間にリンクされます。これは 随伴関数 の例です 。テンソル積は Hom に対して「左随伴」です。 H o m ( U ⊗ V , W ) ≅ H o m ( U , H o m ( V , W ) ) . {\displaystyle \mathrm {Hom} (U\otimes V,W)\cong \mathrm {Hom} (U,\mathrm {Hom} (V,W)).}
環上の加群のテンソル積 可 換環 R 上の 2 つの モジュール A と B のテンソル積は、 体上のベクトル空間のテンソル積とまったく同じ方法で定義されます。 ここで、は 直積によって生成される 自由 R モジュール であり、 G はこれらの関係 によって生成される R モジュールです 。 A ⊗ R B := F ( A × B ) / G , {\displaystyle A\otimes _{R}B:=F(A\times B)/G,} F ( A × B ) {\displaystyle F(A\times B)}
より一般的には、環が非可換 であってもテンソル積を定義できます 。この場合、 A は右 R 加群、 B は左 R 加群でなければならず、上記の最後の2つの関係式の代わりに、次の関係式 が課されます。R が非可換である場合 、 これはもはや R 加群ではなく、単なる アーベル群 です。 ( a r , b ) ∼ ( a , r b ) {\displaystyle (ar,b)\sim (a,rb)}
普遍性もわずかに修正されて継承される。つまり、によって定義される 写像は 中線型写像 (「標準中線型写像」 [8] と呼ばれる)である 。つまり、次式を満たす: [9] φ : A × B → A ⊗ R B {\displaystyle \varphi :A\times B\to A\otimes _{R}B} ( a , b ) ↦ a ⊗ b {\displaystyle (a,b)\mapsto a\otimes b} φ ( a + a ′ , b ) = φ ( a , b ) + φ ( a ′ , b ) φ ( a , b + b ′ ) = φ ( a , b ) + φ ( a , b ′ ) φ ( a r , b ) = φ ( a , r b ) {\displaystyle {\begin{aligned}\varphi (a+a',b)&=\varphi (a,b)+\varphi (a',b)\\\varphi (a,b+b')&=\varphi (a,b)+\varphi (a,b')\\\varphi (ar,b)&=\varphi (a,rb)\end{aligned}}}
最初の2つの性質により、 φ は アーベル群 A × B {\displaystyle A\times B} の双線型写像となる。 の 任意の 中線型写像に対して、 の 群準同型 f は を満たし、この性質は 群内同型を決定する。 詳細は 本文を参照。 ψ {\displaystyle \psi } A × B {\displaystyle A\times B} A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B} ψ = f ∘ φ {\displaystyle \psi =f\circ \varphi } φ {\displaystyle \varphi }
非可換環上の加群のテンソル積 A を右 R 加群、 B を左 R 加群とする。A と B の テンソル積は、 次式で定義されるアーベル群である。 ここで、は 上の 自由アーベル群 であり 、G は の関係によって生成される の部分群である 。 A ⊗ R B := F ( A × B ) / G {\displaystyle A\otimes _{R}B:=F(A\times B)/G} F ( A × B ) {\displaystyle F(A\times B)} A × B {\displaystyle A\times B} F ( A × B ) {\displaystyle F(A\times B)} ∀ a , a 1 , a 2 ∈ A , ∀ b , b 1 , b 2 ∈ B , for all r ∈ R : ( a 1 , b ) + ( a 2 , b ) − ( a 1 + a 2 , b ) , ( a , b 1 ) + ( a , b 2 ) − ( a , b 1 + b 2 ) , ( a r , b ) − ( a , r b ) . {\displaystyle {\begin{aligned}&\forall a,a_{1},a_{2}\in A,\forall b,b_{1},b_{2}\in B,{\text{ for all }}r\in R:\\&(a_{1},b)+(a_{2},b)-(a_{1}+a_{2},b),\\&(a,b_{1})+(a,b_{2})-(a,b_{1}+b_{2}),\\&(ar,b)-(a,rb).\\\end{aligned}}}
普遍性は次のように述べられる。G を 、以下の意味で双線型な 写像を持つアーベル群とする。 q : A × B → G {\displaystyle q:A\times B\to G} q ( a 1 + a 2 , b ) = q ( a 1 , b ) + q ( a 2 , b ) , q ( a , b 1 + b 2 ) = q ( a , b 1 ) + q ( a , b 2 ) , q ( a r , b ) = q ( a , r b ) . {\displaystyle {\begin{aligned}q(a_{1}+a_{2},b)&=q(a_{1},b)+q(a_{2},b),\\q(a,b_{1}+b_{2})&=q(a,b_{1})+q(a,b_{2}),\\q(ar,b)&=q(a,rb).\end{aligned}}}
すると、すべての および に対してとなるよう な一意の写像が存在します 。 q ¯ : A ⊗ B → G {\displaystyle {\overline {q}}:A\otimes B\to G} q ¯ ( a ⊗ b ) = q ( a , b ) {\displaystyle {\overline {q}}(a\otimes b)=q(a,b)} a ∈ A {\displaystyle a\in A} b ∈ B {\displaystyle b\in B}
さらに、いくつかの追加条件下でモジュール構造 を与えることができます。 A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B}
A が ( S , R )-双加群である場合 、 は 左 S -加群であり、ここで です。 A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B} s ( a ⊗ b ) := ( s a ) ⊗ b {\displaystyle s(a\otimes b):=(sa)\otimes b} B が ( R , S )-双加群である場合 、 は 右 S -加群であり、ここで です。 A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B} ( a ⊗ b ) s := a ⊗ ( b s ) {\displaystyle (a\otimes b)s:=a\otimes (bs)} A が ( S , R )-双加群で、 B が ( R , T )-双加群である 場合、 は ( S , T )-双加群であり、ここで左作用と右作用は前の 2 つの例と同じ方法で定義されます。 A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B} R が可換環であれ ば、 A と B は ( R , R )-双加群 ( ) です。3) により、は ( R , R )-双加群であると結論付けることができます 。 r a := a r {\displaystyle ra:=ar} b r := r b {\displaystyle br:=rb} A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B}
テンソル積の計算 ベクトル空間の場合、 前述のように、 V の W の基底は の基底を直ちに決定するため、テンソル積は高速に計算されます。一般(可換)環上の加群では、すべての加群が自由であるとは限りません。例えば、 Z / n Z は自由アーベル群( Z -加群) で はありません。Z / n Z とのテンソル積は 次のように与えられます。 V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} V ⊗ W {\displaystyle V\otimes W} M ⊗ Z Z / n Z = M / n M . {\displaystyle M\otimes _{\mathbf {Z} }\mathbf {Z} /n\mathbf {Z} =M/nM.}
より一般的には、 いくつかの R モジュール M 、つまり関係を伴う 生成元の数の 表現が 与えられると、
テンソル積は次の コカーネル として計算できます。 m i ∈ M , i ∈ I {\displaystyle m_{i}\in M,i\in I} ∑ j ∈ J a j i m i = 0 , a i j ∈ R , {\displaystyle \sum _{j\in J}a_{ji}m_{i}=0,\qquad a_{ij}\in R,} M ⊗ R N = coker ( N J → N I ) {\displaystyle M\otimes _{R}N=\operatorname {coker} \left(N^{J}\to N^{I}\right)}
ここで N J = ⊕ j ∈ J N {\displaystyle N^{J}=\oplus _{j\in J}N} であり、写像はの j 番目 のコピーの一部を ( で)に 送ることで決定されます。口語的には、これは M の表現が の表現を生み出す と言い換えることができます 。これは、テンソル積が 右完全関数 であると言われることによって示されます。これは一般に左完全ではありません。つまり、 R 加群の入射的な写像 が与えられた場合、テンソル積: は通常は入射的ではありません。たとえば、 n 、 n : Z → Zとの乗算によって与えられた (入射的な) 写像を Z / n Z でテンソル化すると、 ゼロ写像 0 : Z / n Z → Z / n Z が生成されますが、これは入射的ではありません。より高次の Tor 関数は、テンソル積が左完全ではないという欠陥を測定します。すべての高次の Tor 関数は、 導出されたテンソル積 に組み立てられます 。 N J → N I {\displaystyle N^{J}\to N^{I}} n ∈ N {\displaystyle n\in N} N J {\displaystyle N^{J}} a i j n {\displaystyle a_{ij}n} N I {\displaystyle N^{I}} M ⊗ R N {\displaystyle M\otimes _{R}N} M 1 → M 2 {\displaystyle M_{1}\to M_{2}} M 1 ⊗ R N → M 2 ⊗ R N {\displaystyle M_{1}\otimes _{R}N\to M_{2}\otimes _{R}N}
代数のテンソル積 R を 可換環とする。R 加群のテンソル積は 、 特に A と B が R 代数であるときに適用される 。 この 場合 、 テンソル 積 は以下のように置くことで R 代数自身 となる。 例えば、 A ⊗ R B {\displaystyle A\otimes _{R}B} ( a 1 ⊗ b 1 ) ⋅ ( a 2 ⊗ b 2 ) = ( a 1 ⋅ a 2 ) ⊗ ( b 1 ⋅ b 2 ) . {\displaystyle (a_{1}\otimes b_{1})\cdot (a_{2}\otimes b_{2})=(a_{1}\cdot a_{2})\otimes (b_{1}\cdot b_{2}).} R [ x ] ⊗ R R [ y ] ≅ R [ x , y ] . {\displaystyle R[x]\otimes _{R}R[y]\cong R[x,y].}
特別な例としては、 A と B が 共通の部分体 R を含む体である場合が挙げられます。 体のテンソル積は ガロア理論 と密接に関連しています 。たとえば、 A = R [ x ] / f ( x ) で、 f が R に係数を持つ 既約多項式 である場合 、テンソル積は次のように計算できます。 ここで、 f は同じ多項式として解釈されますが、その係数は B の要素と見なされます。より大きな体 B では、多項式は既約になる可能性があり、ガロア理論が導入されます。たとえば、 A = Bが R の ガロア拡大 である場合 、 は
( A 代数として) と
同型です 。 A ⊗ R B ≅ B [ x ] / f ( x ) {\displaystyle A\otimes _{R}B\cong B[x]/f(x)} A ⊗ R A ≅ A [ x ] / f ( x ) {\displaystyle A\otimes _{R}A\cong A[x]/f(x)} A deg ( f ) {\displaystyle A^{\operatorname {deg} (f)}}
テンソルの固有配置 体 に要素を持つ 正方 行列は、 ベクトル空間 の線型写像、つまり 上 の 射影 空間 の 線型 写像 を 表し ます 。が 特異で ない 場合、 はどこでも 明確に定義 され 、 の 固有ベクトルは の不動点に対応します 。 がジェネリックであり、 代数的に閉じて いる 場合、 の 固有構成は 内の点 で構成されます 。非線形写像の不動点は、テンソルの固有ベクトルです。 を、 特性 0の 代数的に閉じた体 に要素がある 形式の 次元テンソル とします 。このようなテンソルは、座標を持つ 多項式写像 と を定義します 。 A {\displaystyle A} K {\displaystyle K} K n → K n {\displaystyle K^{n}\to K^{n}} ψ : P n − 1 → P n − 1 {\displaystyle \psi :\mathbb {P} ^{n-1}\to \mathbb {P} ^{n-1}} K {\displaystyle K} A {\displaystyle A} ψ {\displaystyle \psi } A {\displaystyle A} ψ {\displaystyle \psi } A {\displaystyle A} n {\displaystyle n} P n − 1 {\displaystyle \mathbb {P} ^{n-1}} A {\displaystyle A} K {\displaystyle K} A = ( a i 1 i 2 ⋯ i d ) {\displaystyle A=(a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{d}})} d {\displaystyle d} n × n × ⋯ × n {\displaystyle n\times n\times \cdots \times n} ( a i 1 i 2 ⋯ i d ) {\displaystyle (a_{i_{1}i_{2}\cdots i_{d}})} K {\displaystyle K} A ∈ ( K n ) ⊗ d {\displaystyle A\in (K^{n})^{\otimes d}} K n → K n {\displaystyle K^{n}\to K^{n}} P n − 1 → P n − 1 {\displaystyle \mathbb {P} ^{n-1}\to \mathbb {P} ^{n-1}} ψ i ( x 1 , … , x n ) = ∑ j 2 = 1 n ∑ j 3 = 1 n ⋯ ∑ j d = 1 n a i j 2 j 3 ⋯ j d x j 2 x j 3 ⋯ x j d for i = 1 , … , n {\displaystyle \psi _{i}(x_{1},\ldots ,x_{n})=\sum _{j_{2}=1}^{n}\sum _{j_{3}=1}^{n}\cdots \sum _{j_{d}=1}^{n}a_{ij_{2}j_{3}\cdots j_{d}}x_{j_{2}}x_{j_{3}}\cdots x_{j_{d}}\;\;{\mbox{for }}i=1,\ldots ,n}
したがって、の座標 のそれぞれは、 の 次数の 同次多項式 である 。 の固有ベクトルは 制約条件の解であり
、固有配置は この行列の 小行列式 の 多様体 によって与えられる。 [10] n {\displaystyle n} ψ {\displaystyle \psi } ψ i {\displaystyle \psi _{i}} d − 1 {\displaystyle d-1} x = ( x 1 , … , x n ) {\displaystyle \mathbf {x} =\left(x_{1},\ldots ,x_{n}\right)} A {\displaystyle A} rank ( x 1 x 2 ⋯ x n ψ 1 ( x ) ψ 2 ( x ) ⋯ ψ n ( x ) ) ≤ 1 {\displaystyle {\mbox{rank}}{\begin{pmatrix}x_{1}&x_{2}&\cdots &x_{n}\\\psi _{1}(\mathbf {x} )&\psi _{2}(\mathbf {x} )&\cdots &\psi _{n}(\mathbf {x} )\end{pmatrix}}\leq 1} 2 × 2 {\displaystyle 2\times 2}
テンソル積の他の例
位相テンソル積 ヒルベルト空間は、 有限次元ベクトル空間を任意の次元に一般化する。 「テンソル積」とも呼ばれる 類似の演算があり、これによってヒルベルト空間は対称 モノイド圏 となる。これは本質的に、上述の代数的テンソル積の 計量空間完備化として構成される。しかし、テンソル積を定義する普遍性 [11] の明らかな類似性を満たさない。 この性質の射は、 ヒルベルト・シュミット作用素 に限定されなければならない。 [12]
内積の適用が不適切な状況でも、代数テンソル積を位相 テンソル積 として完成させることは可能です。しかし、そのような構成はもはや一意に特定できるものではなく、多くの場合、代数テンソル積には複数の自然な位相が存在します。
次数付きベクトル空間のテンソル積 いくつかのベクトル空間は、部分空間の直和 に分解できます 。そのような場合、2つの空間のテンソル積は、部分空間の積の和に分解できます(乗算が加算に分配されるのと同様に)。
表現のテンソル積 追加の乗法構造を備えたベクトル空間は 代数 と呼ばれる。そのような代数のテンソル積は リトルウッド・リチャードソン則 によって記述される。
二つの 多重線型形式 と 体上の ベクトル空間上の テンソル積は多重線型形式である: [13] f ( x 1 , … , x k ) {\displaystyle f(x_{1},\dots ,x_{k})} g ( x 1 , … , x m ) {\displaystyle g(x_{1},\dots ,x_{m})} V {\displaystyle V} K {\displaystyle K} ( f ⊗ g ) ( x 1 , … , x k + m ) = f ( x 1 , … , x k ) g ( x k + 1 , … , x k + m ) . {\displaystyle (f\otimes g)(x_{1},\dots ,x_{k+m})=f(x_{1},\dots ,x_{k})g(x_{k+1},\dots ,x_{k+m}).}
これは、テンソルを多重線型写像とみなした場合のテンソル積の特別なケースです( 多重線型写像としてのテンソル も参照)。したがって、多重線型形式のテンソル積の成分は クロネッカー積 によって計算できます。
加群の層のテンソル積
線束のテンソル積
体のテンソル積
グラフのテンソル積 なお、「テンソル積」と呼ばれていますが、これは上記の意味でのグラフのテンソル積ではありません。実際には、グラフと グラフ準同型 の圏における 圏論的積 です。ただし、これは実際にはグラフの 隣接行列 の クロネッカーテンソル積です 。上記の「線型写像のテンソル積」の節も参照してください。
モノイド的カテゴリ テンソル積の最も一般的な設定は モノイド圏 である。これは、テンソル化の対象を具体的に指定することなく、テンソル化の代数的本質を捉えている。したがって、すべてのテンソル積は、モノイド圏を特定の設定に適用し、特定の対象に作用させることで表現できる。
商代数 テンソル代数 の重要な部分空間の多くは 商 として構築できます 。これには 外積代数 、 対称代数 、 クリフォード代数 、 ワイル代数 、および 一般的な 普遍包絡代数が含まれます。
外積代数は 外積 から構成される。ベクトル空間 V が与えられたとき、外積は 次のように定義される。 V ∧ V {\displaystyle V\wedge V} V ∧ V := V ⊗ V / { v ⊗ v ∣ v ∈ V } . {\displaystyle V\wedge V:=V\otimes V{\big /}\{v\otimes v\mid v\in V\}.}
V の基礎体が 特性 2 を持たない場合、この定義は次の定義と同等です。 V ∧ V := V ⊗ V / { v 1 ⊗ v 2 + v 2 ⊗ v 1 ∣ ( v 1 , v 2 ) ∈ V 2 } . {\displaystyle V\wedge V:=V\otimes V{\big /}{\bigl \{}v_{1}\otimes v_{2}+v_{2}\otimes v_{1}\mid (v_{1},v_{2})\in V^{2}{\bigr \}}.}
外積における の像は通常 と表記され、構成により を満たす。同様の構成は( n 因子)に対しても可能であり 、 V の n 次外乗 が 生じる。後者の概念は 微分 n 形式 の基礎となる 。 v 1 ⊗ v 2 {\displaystyle v_{1}\otimes v_{2}} v 1 ∧ v 2 {\displaystyle v_{1}\wedge v_{2}} v 1 ∧ v 2 = − v 2 ∧ v 1 {\displaystyle v_{1}\wedge v_{2}=-v_{2}\wedge v_{1}} V ⊗ ⋯ ⊗ V {\displaystyle V\otimes \dots \otimes V} Λ n V {\displaystyle \Lambda ^{n}V}
対称代数は、 対称積 から同様の方法で構築されます。 V ⊙ V := V ⊗ V / { v 1 ⊗ v 2 − v 2 ⊗ v 1 ∣ ( v 1 , v 2 ) ∈ V 2 } . {\displaystyle V\odot V:=V\otimes V{\big /}{\bigl \{}v_{1}\otimes v_{2}-v_{2}\otimes v_{1}\mid (v_{1},v_{2})\in V^{2}{\bigr \}}.}
より一般的には: Sym n V := V ⊗ ⋯ ⊗ V ⏟ n / ( ⋯ ⊗ v i ⊗ v i + 1 ⊗ ⋯ − ⋯ ⊗ v i + 1 ⊗ v i ⊗ … ) {\displaystyle \operatorname {Sym} ^{n}V:=\underbrace {V\otimes \dots \otimes V} _{n}{\big /}(\dots \otimes v_{i}\otimes v_{i+1}\otimes \dots -\dots \otimes v_{i+1}\otimes v_{i}\otimes \dots )}
つまり、対称代数では、隣接する2つのベクトル(ひいてはそれらすべて)は交換可能です。その結果得られるオブジェクトは 対称テンソル と呼ばれます。
プログラミングにおけるテンソル積
配列プログラミング言語 配列プログラミング言語に は、このパターンが組み込まれている場合があります。例えば、 APL ではテンソル積は ○.×(例えば A ○.× Bまたは A ○.× B ○.× C)と表現されます。Jでは、 テンソル 積は */(例えば a */ bまたは a */ b */ c)の2項形式です。
J の扱いにより、テンソル場を と として表現することも可能となり、これらは定数で aは bなく関数となる。この2つの関数の積は導来関数であり、 aと が 微分可能であれば bは 微分 可能である。 a */ b
しかし、このような表記法は配列言語に普遍的に存在するわけではありません。他の配列言語では、インデックスの明示的な処理が必要な場合(例: MATLAB )、または ヤコビ微分 などの 高階関数 をサポートしていない場合があります(例: Fortran /APL)。
参照 無料の辞書『ウィクショナリー』で テンソル積 を調べてください。
二元論 – ベクトル代数における2階テンソル スカラーの拡張 – 代数における演算 Pages displaying short descriptions of redirect targets モノイド圏 – テンソル積を許容する圏 テンソル代数 – 多重線型代数における普遍的な構成 テンソル収縮 – 数学における演算 位相テンソル積 – 位相ベクトル空間のテンソル積構成
注記 ^ ヘイズウィンケル、ミシェル;グバレニ、ナデジダ・ミハイロヴナ。グバレニ、ナディヤ。キリチェンコ、ウラジミール V. (2004)。 代数、環、加群 。スプリンガー。 p. 100.ISBN 978-1-4020-2690-4 。 ^ Bourbaki (1989)、p. 244では、それぞれのモジュールの要素である「 x と y のテンソル積」の使用法を定義しています。 ^ 反変 テンソルや混合分散テンソル にも同様の公式が成り立つ 。ただし、内積 が定義されている場合など、多くの場合、この区別は無関係である。 ^ 「ベクトル空間における共評価」 The Unapologetic Mathematician . 2008年11月13日. 2017年2月2日時点のオリジナルよりアーカイブ 。 2017年1月26日 閲覧。 ^ コンパクト閉カテゴリ を参照 。 ^ ハンガーフォード、トーマス・W. (1974). 代数学 . シュプリンガー. ISBN 0-387-90518-9 。 ^ Chen, Jungkai Alfred (2004年春)、「テンソル積」 (PDF) 、 Advanced Algebra II (講義ノート)、国立台湾大学、 2016年3月4日時点のオリジナルよりアーカイブ (PDF) {{citation }}: CS1 maint: location missing publisher (link )^ 阿保、H. セイガル、A . Sturmfels、B. (2015)。 「テンソルの固有配置」。 arXiv : 1505.05729 [math.AG]。 ^ Garrett, Paul (2010年7月22日). 「ヒルベルト空間のテンソル積の非存在性」 (PDF) . ^ Kadison, Richard V.; Ringrose, John R. (1997). 作用素環理論の基礎 . 大学院数学研究科 . 第1巻. プロビデンス, ロードアイランド州: アメリカ数学会 . Thm. 2.6.4. ISBN 978-0-8218-0819-1 . MR 1468229。 ^ Tu, LW (2010). 多様体入門 . Universitext. Springer. p. 25. ISBN 978-1-4419-7399-3 。
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