第4章 张量分析(清华大学张量分析,你值得拥有)
(完整版)《张量分析》报告
一 爱因斯坦求和约定1.1指标变量的集合：n n y y y x x x ,...,,,...,,2121表示为：n j y n i x j i ...,3,2,1,,...,3,2,1,==写在字符右下角的 指标，例如xi 中的i 称为下标。
写在字符右上角的指标，例如yj 中的j 称为上标；使用上标或下标的涵义是不同的。
用作下标或上标的拉丁字母或希腊字母，除非作了说明，一般取从1到n 的所有整数，其中n 称为指标的范围。
1.2求和约定若在一项中，同一个指标字母在上标和下标中重复出现，则表示要对这个指标遍历其范围1，2，3，…n 求和。
这是一个约定，称为求和约定。
例如：333323213123232221211313212111bx A x A x A b x A x A x A bx A x A x A =++=++=++筒写为：ijijbx A =ｊ——哑指标ｉ——自由指标，在每一项中只出现一次，一个公式中必须相同遍历指标的范围求和的重复指标称为“哑标”或“伪标”。
不求和的指标称为自由指标。
1.3 Kronecker-δ符号（克罗内克符号）和置换符号Kronecker-δ符号定义j i ji ij ji ≠=⎩⎨⎧==当当01δδ置换符号ijkijk e e =定义为:⎪⎩⎪⎨⎧-==的任意二个指标任意k j,i,当021)(213,132,3的奇置换3，2，1是k j,i,当112)(123,231,3的偶置换3，2，1是k j,i,当1ijk ijke ei,j,k 的这些排列分别叫做循环排列、逆循环排列和非循环排列。
置换符号主要可用来展开三阶行列式：231231331221233211231231133221332211333231232221131211a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a a ---++==因此有：ijmjimii i i jijAA aa a a a ==++=δδδδδ332211kijjkiijkkjiikjjikijkee e e e e e ==-=-=-=同时有：ijjijij iiiijijijkj ikilkljkijjjiiijijijkjikiie e aa aa a a a aa δδδδδδδδδδδδδδδδδδδ=⋅=++=========++=332211332211331001010100131211232221333231321333222111321321321-=====δδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδδe e k j i k j i k j i k k k j j j i i i ijk333222111321321321r q p r q p r q p k k k j j j i i i pqr ijke e δδδδδδδδδδδδδδδδδδ⋅=ipp i p i p i p i δδδδδδδδδ==++11332211krkqkpjrjqjpiriqippqrijke e δδδδδδδδδ=jqirjriqjrjqiriqkqrijke e kp δδδδδδδδ-===321321322311332112312213322113312312332211333231232221131211k j i ijkkjiijkaa a e a a a e aa a a a a a a a a a a a a a a a a aaaa a aaa a A ==---++==Kronecker-δ和置换符号符号的关系为：itjsjtiskstkije e δδδδ-=二 张量代数2.1张量的加法(减法)两个同阶、同变异(结构) 的张量可以相加(或相减)。
张量分析清华大学张量分析你值得拥有
g是正实数（右手系）
斜角直线坐标系旳基矢量与矢量分量
➢ 三维空间中旳斜角直线坐标系和基矢量
定义逆变基矢量 g j，满足对偶条件：
g j gi ij (i, j = 1, 2,3)
问题：已知 gi，怎样求 g j ？
※ 根据几何图形直接拟定
由对偶条件可知， g1与 g2 、g3 均正交，所以正交于 g2与 g3所
第1章 矢量与张量
2023年12月12日
张量旳两种体现形式
实体形式
分量形式
几何形式 定义式
代数形式 计算式
概念旳内涵和外 延（定量）
怎样计算？
主要内容
➢ 矢量及其代数运算 ➢ 斜角直线坐标系旳基矢量与矢量分量 ➢ 曲线坐标系及坐标转换关系 ➢ 并矢与并矢式 ➢ 张量旳基本概念 ➢ 张量旳代数运算 ➢ 张量旳矢积
g1 1
g2 x1(cos x2 cos x3i cos x2 sin x3 j sin x2k) g2 x1
g3 x1注sin:x2(()s式in 只x3i对 c正os交x3曲j) 线坐标系成立，g3 x1 sin x2
☆正交曲可作线为坐求标正系交与系L中am度é量常张数量旳一种措施。
y
※平面极坐标系
(x, y) (x1, x2)
r
g gr
(r, ) (x1, x2 )
矢径：
r x1i x2 j
j
x1
x2
(x1)2 (x2)2
arctan
x2 x1
x1
x1
cos
x2
x2 x1 sin x2
i
x
平面极坐标系
xi' = xi' xi
r g1 i cos x2 j sin x2
张量分析
张量分析张量分析，又称张量微积分，是一门研究多维空间中的向量和张量的数学工具。
它在物理学、工程学、计算机科学等领域有着广泛的应用。
张量分析的核心思想是通过张量的计算和运算，来描述和解释多维空间中的现象和问题。
在数学中，张量是一种广义的向量概念。
它不仅可以表示标量和向量，还可以表示具有更高维度的物理量。
例如，二阶张量可以表示物体的形变和应力分布，三阶张量可以表示电磁场的分布，四阶张量可以表示弹性材料的性质等。
张量分析的基本概念包括张量的定义和表示、张量的变换规律以及张量的运算。
对于二阶张量，可以用一个矩阵来表示。
张量的变换规律与坐标系的选择有关，不同的坐标系下，同一个张量可以表示为不同的矩阵形式。
张量的运算包括加法、数乘、内积和外积等。
这些运算在物理和工程问题中具有重要的意义，可以帮助研究人员推导和解决实际问题。
在物理学中，张量分析被广泛应用于描述和分析物体的运动、形变、应力等问题。
例如，通过分析物体的应力张量，可以判断物体是否会发生破坏或变形。
在工程学中，张量分析可以用于解决弹性力学、流体力学、电磁学等问题。
在计算机科学中，张量分析可以用于图像处理、模式识别等领域。
张量分析的发展离不开数学家们的努力。
早在19世纪，克里斯托弗·亚当斯（Christopher Adams）就提出了张量的概念。
20世纪初，爱因斯坦在相对论的研究中也广泛应用了张量分析。
随着计算机的发展和计算能力的提高，张量分析在科学研究中的应用也越来越广泛。
虽然张量分析在各个领域中都有广泛的应用，但它的理论和方法并不容易掌握。
要学好张量分析，需要对线性代数、微积分和向量分析等数学知识有扎实的掌握。
此外，也需要具备一定的物理学和工程学的基础知识。
对于初学者来说，可以通过学习相关的教材和参考资料，同时结合实际问题进行练习和应用。
总之，张量分析是一门重要的数学工具，对于描述和解决多维空间中的问题具有重要的意义。
它在物理学、工程学、计算机科学等领域有着广泛的应用。
张量分析书籍附详尽易懂
n个
称为n维仿射空间。E n 中旳每一种元素称为点。
记：
o (0, ,0),
x (x1,, xn ) ,
(x1, , xn )
且分别称为放射空间旳原点、位置矢量和负矢量。
对于n维仿射空间，全部旳位置矢量构成一种集合：
V0 x (x1,, xn ) xi , xi F,1 i n
(1 t)(1,1) t(1,1) a t b
(1 2t,1 2t) a t b
当 t b 时：
(2t 1,2t 1) (1,1)
当 t a 时：
(2t 1,2t 1) (1,1)
由此可得 a 0 ，b 1 。显然 r1 等 r2 价。
r1 与 r5 ： (取 s b5 b1 )
域上旳矢量空间。且仍记为V0 。
数域上旳矢量空间V0 具有如下性质：x, y, z V0 ,、 F
（1）
x yyx
（2）
(x y) z x ( y z)
（3）V0中存在称为有关加法旳单位元素o，使得：
xo x
x V0
（4）V0中每一种元素x都存在唯一旳(-x )，使得：
x (x) o
当t=b时：位置矢量标
定b点。即：
S
(4b 2,3 2b) (2,1)
由此拟定b=1 。
x2
当t=a时：位置矢量标
3
2
定a点。即：
1
(4a 2,3 2a) (1,1.5 )
由此拟定a=0.75 。
图中画出了计算成果 。
x2 3
2 u ab
1
2 (a)
u xy
x1
4
6
u xy u ab
1
2
。 Vx空间中旳矢量称为约束矢量。
第2章 张量分析(清华大学张量分析,你值得拥有)
( Nij ij )a j 0 det( Nij ij ) 0
利用指标升降关系 a为非0矢量 利用主不变量
N ( ) 3 J1N 2 J 2 J3N 0
二阶张量的标准形: 张量最简单的形式
非对称二阶张量
•
请研究以下领域的同学关注。 1、应变梯度理论，偶应力理论 2、电流场，电磁流变（有旋场）
x
x
椭圆曲线的坐标变换
正交变换可使椭圆曲线的方程由以下一般形式
ax bxy cy d 0
任意二阶张量将一线性相关的矢量集映射为线性相 关的矢量集：
(i)u(i) 0
i 1
l
l l 0 T (i)u(i) (i)(T u(i)) i 1 i 1
正则与退化的二阶张量
•
3D空间中任意二阶张量T将任意矢量组u，v，w映射 为另一矢量组，满足：
N S
1 p
S S1e1e1 S2e2e2 S3e3e3
Si N i
1 p
几种特殊的二阶张量
正张量的对数
N N1e1e1 N2e2e2 N3e3e3
ln N ln N1 e1e1 ln N2 e2e2 ln N3 e3e3
Nij N ji Ni j Nij Nij N ji N ij N ji
N 1 NT 1
( ) , ( ) , ( ) ,
N T 1 N 2 N T 3 N 3 N T 2 N 4
NT 4
N T ( 4 )
反对称张量与其转置张量分量及二者所对应的矩阵
二阶张量的行列式
张量分析第四章
Q ⋅ F ⋅ Q* = F (Q ⋅ A ⋅ Q*)
例3： 试证明：
ε=
1+υ υ σ − (trσ ) I E E
是各向同性函数。 证： 1+υ υ Q ⋅ ε ⋅ Q* = Q ⋅ σ ⋅ Q * −Q ⋅ (tr σ ) I ⋅ Q * ∵ E E
β i1Lir ≤ A i1Lir ≤ α i1Lir
设 P是 Pr张量空间的开集。按第一章第四节的标量积可以 定义A,B∈ P的标量积： 〈 A, B〉 = A⊙ B = Ai Li Bi Li ; (i1 ,L , ir = 1, 2,3) （4.1-1） 容易证明 〈 , 〉 具有下列性质： i）对称性： 〈 A, B〉 = 〈 B, A〉 ; A⊙ B = B ⊙ A , A, B ∈ P （4.1-2） ii）线性性： 〈 A, B + C 〉 = 〈 A, B〉 + 〈 A, C 〉 ; A ⊙ ( B + C ) = A ⊙ B + A⊙ C , A, B, C ∈ P （4.1-3） 4.1-3 iii）正定性： 〈 A, A〉 > 0 , ∀A ≠ 0 ; A⊙ A > 0 , ∀A ≠ 0 （4.1-4） 对任意Pr中的张量 A, B∈ P 。由（4.1-1）式可引入张量的 模和两张量之间的距离。其定义如下：
i i Q
AQ = ( Aij i i i j ) Q = Aij (Q ⋅ i i )(Q ⋅ i j ) = Q ⋅ A ⋅ Q *
F ( A) = F (Q ⋅ A ⋅ Q*)
∴ iii） ∵ ∴
FQ ( A) = ( Fij i i i j ) Q = Fij (Q ⋅ i i )(Q ⋅ i j ) = Q ⋅ F ⋅ Q *
张量分析课件
P = ∑αij Ej （i=1,2,3） i
j =1
3
Pi′ = ∑ α i′j′ E j′ （i'=1,2,3）
j ′ =1
3
代 入
将一阶张量Ej和Pi的变换规律
Pi′ = ∑ Ai′i Pi
3
代 入
E j′ = ∑ Aj ′j E j
j =1
i =1 3
∑A
i =1
3
i ′i i
P = ∑∑ α i′j′ Aj′j E j
证： 刚体定轴转动:
ω
(Z轴)转轴
刚 体
(
)
v τi A ni O′ ri
v
刚体定轴转动
r2 r r I 质点：ij = m(rij δ ij − ( r )i ( r ) j ) O
v Ri
= m(δ ij xk xk − xi x j ) (i, j, k=1, 2, 3)
例3. 设质量为m的质点位于点（x1, x2, x3）, 证明在 正交变换下，由九个分量构成的一个物理量Iij是一个 二阶张量, 其中： I ij = m(δ ij xk xk − xi x j ) (i, j=1, 2, 3) —称Iij为质点的惯性积，有Iij定义的物理量叫惯性矩. 证： 质点：I ij = m(δ ij xk xk − xi x j ) (i, j, k=1, 2, 3) 九个分量:
δij在坐标变换后，其各个分量的值不变. 即在任意坐 标系中按上式定义的二价对称δ符号是一个二阶张量.
例3. 设质量为m的质点位于点（x1, x2, x3）, 证明在 正交变换下，由九个分量构成的一个物理量Iij是一个 二阶张量, 其中： I ij = m(δ ij xk xk − xi x j ) (i, j=1, 2, 3) —称Iij为质点的惯性积，有Iij定义的物理量叫惯性矩.
清华大学弹性力学冯西桥FXQ-Chapter-张量_图文
张量分析引论
矢量和张量的记法，求和约定
符号ij与erst
坐标与坐标转换 张量的分量转换规律 张量代数，商判则 常用特殊张量，主方向与主分量
Appendix A
张量代数&商判则
相等
若两个张量
和
相等
则对应分量相等
若两个张量在某个坐标系中的对应分量相等，则 它们在任何其他坐标系中对应分量也相等。
坐标与坐标转换
向新坐标轴 投影，即用 点乘上式两边，则左边： 右边：
Appendix A.3
坐标与坐标转换
由上述两式可得新坐标用老坐标表示的表达式 经过类似推导可得老坐标用新坐标表示的表达式
Appendix A.3
坐标与坐标转换
坐标转换的矩阵形式(设新老 坐标原点重合)
Appendix A.3
特性 1. 对称性，由定义可知指标 i 和 j 是对称的，即
Appendix A.2
符号ij与erst
2. ij 的分量集合对应于单位矩阵。例如在三维空间
3. 换标符号，具有换标作用。例如：
即：如果符号的两个指标中，有一个和同项中其它
因子的指标相重，则可以把该因子的那个重指标换成
的另一个指标，而自动消失。
Appendix A.3
坐标与坐标转换
笛卡尔坐标系(单位直角坐标系)
坐标变化时，矢径的变化为
Appendix A.3
坐标与坐标转换
任意坐标系
坐标变化时，矢径的变化为
Appendix A.3
坐标与坐标转换
概念 • 坐标线 当一个坐标任意变化而另两个坐标保持不变时， 空间点的轨迹，过每个空间点有三根坐标线。 • 基矢量 矢径对坐标的偏导数定义的三个基矢量gi
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张量场函数的散度和旋度
★矢量场函数F(r)的旋度
F F g k g k k Fi g i x mki gm k Fi
k
kim
gm k Fi
g1 1 1 g F1
g2 2 F2
g3 3 F3
张量场函数的散度和旋度
★矢量场函数F(r)的旋度
F g
张量分量对坐标的协变导数
★矢量场函数的梯度
F j i j i j F g F g g F g g 则右梯度： ;j i i; j j x 左梯度： F g j F F i g j g F g j g i ;j i i; j j x
引入新符号 j ; j 来表示矢量分量的协变导数
ki , j kj ,i ij ,k ik , j
jk ,i ji ,k
xi g ki x j
l ij kl
ij ,k
1 g jk gik gij i j k 2 x x x
g ij ,k
定义Laplace算子： 2 ( ) ( ) 即先求梯度，再计算散度。
张量场函数的散度和旋度 若矢量 F ，为标量，则
1 g i x g i i 而 F ，可推导出
2
i
F g x j
i ij
因此，可得
从而可得右梯度和左梯度：
T i T T (r ) i g x
T T g i x
i
由此可得： dT (T ) dr dr (T )
张量分量对坐标的协变导数
为了计算
T ，则必须引入协变导数 x i
★矢量场函数的梯度
F ( F i gi ) F i i gi j gi F j j x x x x j F i k j gi F i ij gk x i F 矢量分量的协变导数 j gi F k ikj gi x i F i k i j F kj gi ;j i x
梯度的几何意义！ 取弧元ds，有方向导数：
r r xi
df dr f f t t f ds ds
张量场函数对矢径的导数、梯度
张（矢）量场函数T(r)的梯度，借助有限微分，得 dT T i T (r ) i g dr x
k
Hale Waihona Puke g km k Tij gm g i g j mTij gm g i g j
1 ij ( ) ( ) gg i j x g x m m m ( ) m ( )
2
积分定理
从牛顿-莱布尼兹公式说起
第4章 曲线坐标张量分析
2015年4月18日
主要内容
基矢量的导数，Christoffel符号 张量场函数对矢径的导数、梯度 张量分量对坐标的协变导数 张量场函数的散度和旋度 积分定理
Riemann-Christoffel张量（曲率张量）
张量方程的曲线坐标分量表示方法
非完整系与物理分量
F i j j i F g F g g F g g ;j i i; j j x j F i g j gi j Fi g j g i
j
张量分量对坐标的协变导数
★矢量场函数的梯度 特殊矢量：矢径r，有
r r G
i ;j i ,j
注：只有在笛卡尔坐标系下才有 F F
基矢量的导数，Christoffel符号
基矢量的导数与Christoffel符号
逆变基矢量的导数
g i i k jk g j x
g 对坐标的导数， jji 的计算公式
g g1 , g2 , g3 g1 g2 g3
g j g ji i x
k
★矢量场函数F(r)的散度
F k i i divF F F k g F;i i F x
张量场函数的散度和旋度
★张量场函数T(r)的散度
T k k ij k ij T k g Tij g g g T g T ;k i j ;k i j ; j gi x T k ij k ij ij T g k g T;k gi g j i T;k g j T;i g j x
从定义式，可探讨性质：
由于
g j
i i x x
r j x
2 2 gi r r i j j i j x x x x x
k ij kji
ij 共有18个独立的分量，且 ij 不是张量分量。 可证明，
k k
基矢量的导数，Christoffel符号
基矢量的导数与Christoffel符号
第一类Christoffel符号 g j l l k l k k ij gk ij glk g ij ,k g ij ,k ij glk glk ij i x g j 定义式： ij , k gk 性质： ij ,k ji ,k i x g j k k 比较： ij g i x
x2
A
• •
b
a
dF ( x) dx F (a ) F (b) dx
微分阶次降了一阶 域内转换到边界
l
x1
向二维扩展：Green定理
X 1 ( x1 , x 2 ) 1 2 1 2 1 dx dx X 1 ( x , x )dx 2 x A l X 2 ( x , x ) 1 2 dx dx 1 x A
Christoffel符号仅有定义式是不够的，必须有计算式！
基矢量的导数，Christoffel符号
基矢量的导数与Christoffel符号
Christoffel的计算式：用gij来计算
gij gi g j
gij x k g jk
gij
g j gi k g j gi k k x x x
k
kim
gm k Fi
e k Fi
mki
1 mki 1 F e gm k Fi 1 g g F1
g1
g2 2 F2
g3 3 F3
张量场函数的散度和旋度
★张量场函数T(r)的旋度 T T k g k T ij ;k gi g j g k T ij ;k kjm gi gm x T k T g k g k Ti ;kj g i g j kimTi ;kj gm g j x
j mki mki j emki k Fi emki k Fi Fj ki e F e F k i j ki
F F g k g k k Fi g i x 1 mki mki gm k Fi e gm k Fi g
m Tim m T jk mj ik
T x
i j k
i i m T m T j mk m jk
四者之间满足指标升降关系。
张量分量对坐标的协变导数
★张量场函数的梯度 特殊张量1：度量张量G
g ij;k 0 G G 0
两个张量的并AB的协变导数
k
左梯度：
张量分量对坐标的协变导数
★张量场函数的梯度
其中
T
ij ;k
T ij im j mj i k T mk T mk x
Tij ;k
Tij
x k j Ti j j m j Ti ;k k Tm ik Ti m mk x T
i j ;k
正交曲线坐标系中的物理分量
基矢量的导数，Christoffel符号
张量场函数：T(r)
r r x
i
T(r)之所以被称为场函数，是因为它是矢径r的函数。 在曲线坐标系下，基矢量gi并不是常矢量，如何描 述gi随坐标的变化而变化？
r 基矢量 gi i 本身重要！ x
r
r r
1 ij gg i j x g x
2
张量场函数的散度和旋度
因此，Laplace算子的计算式：
1 ij ( ) ( ) gg i j x g x
2
Euclid空间，只有一个最基本的一阶矢量微分算子， 即梯度算子。 Euclid空间，只有一个最基本的二阶标量微分算子， 即Laplace算子。
张量分量对坐标的协变导数
★张量场函数的梯度
T T ij gi g j Ti j gi g j T ij gi g j Tij gi g j
右梯度：
T k ij k j i k T k g T ;k gi g j g Ti ;k g g j g x T ij ;k gi g j g k Tij ;k g i g j g k T ij k j k i T g T g g g T g g gj ;k i j i ;k k x i k j k i j T j ;k g gi g Tij ;k g g g
j ji
g g x
i
ln g xi
1 ln g
2 xi
张量场函数对矢径的导数、梯度
标量场函数f (r)的梯度 f f i i j df i dx i g g j dx x x j f i g dx 其中， i g 定义为f (r)的梯度 f ； j 即 dr 。 x f k k f df f d r 因此， f k g g x x k