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title: 物理上的张量以及深度学习中的张量

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# 物理上的张量以及深度学习中的张量

张量是一种可以用来表示多个向量、标量和其他张量之间的线性关系的数学对象，它们在物理学和深度学习中都有重要的应用。本文将简要介绍张量的定义、性质和例子，以及它们在两个领域中的作用。

## 张量的定义

数学上，一个 $(p,q)$ 型的张量 $T$ 被定义为一个多重线性映射：

$$
T: \underbrace{V^* \times \cdots \times V^*}_{p\text{ times}} \times \underbrace{V \times \cdots \times V}_{q\text{ times}} \to \mathbb{R}
$$

其中 $V$ 是一个向量空间，$V^*$ 是其对偶空间。这意味着张量可以接受 $p$ 个协变向量（或 1-形式）和 $q$ 个逆变向量（或向量）作为输入，并输出一个实数。我们可以用指标记法来表示张量及其分量：

$$
T = T^{i_1 i_2 \cdots i_p}_{j_1 j_2 \cdots j_q} e_{i_1} \otimes e_{i_2} \otimes \cdots e_{i_p} \otimes e^{j_1} \otimes e^{j_2} \otimes \cdots e^{j_q}
$$

其中 $\{e_i\}$ 和 $\{e^j\}$ 分别是 $V$ 和 $V^*$ 的一组基，$\otimes$ 表示张量积，$T^{i_1 i_2 \cdots i_p}_{j_1 j_2 \cdots j_q}$ 表示张量在这组基下的分量。当我们改变坐标系或基时，张量的分量会按照一定的变换规则进行线性变换，这些规则有两种：即协变或逆变转换。具体地说，如果有两组基 $\{e_i\}$ 和 $\{\tilde{e}_i\}$ 以及它们之间的转换矩阵 $A^i_j$：

$$
\tilde{e}_i = A^j_i e_j
$$

那么一个逆变向量（或 $(1,0)$ 型张量）$v = v^i e_i = v'^i\tilde{e}_i$ 的分量会按照如下规则转换：

$$
v'^i = A^{-1}_j^i v^j
$$

而一个协变向量（或 $(0,1)$ 型张量）$\omega = w_i e^i = w'_i\tilde{e}^i$ 的分量会按照如下规则转换：

$$
w'_i = A_i^j w_j
$$

对于更高阶的张类型，每个指标都要遵循相应的转换规则。例如，一个 $(2,0)$ 型张类型 $S = S^{ij} e_i\otimes e_j = S'^{ij}\tilde{e}_i\otimes\tilde{e}_j$ 的分量会按照如下规则转换：

$$
S'^{ij} = A^{-1}_k^i A^{-1}_l^j S^{kl}
$$

而一个 $(0,2)$ 型张类型 $R = R_{ij} e^i\otimes e^j = R'_{ij}\tilde{e}^i\otimes\tilde{e}^j$ 的分配会按照如下规则转换：

$$
R'_{ij} = A_i^k A_j^l R_{