Tensor Tutorial

38
 SIMILAR workshop, June 2005 Tensor tutorial SIMILAR workshop, 8-10 June 2005 Magnus Herberthson Dep. of Mathematics & Dep. of Biomedical Engineering Linköping University e-mail: [email protected]

Transcript of Tensor Tutorial

Page 1: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Tensor tutorial

SIMILAR workshop, 8­10 June 2005

Magnus HerberthsonDep. of Mathematics & Dep. of Biomedical Engineering

Linköping Universitye­mail: [email protected]

Page 2: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Tensor tutorial• What is a tensor?• What are tensors good for/examples?• Vector spaces, linear mappings• Change of basis• Dual vectors, dual space• The metric/scalar product, (& the determinant)• Tensors• Examples • Differentiation

Page 3: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What is a tensor?What is a vector?What is a linear mapping?

(Or rather, how doyou view these?)

Several opinions/viewpoints. My opinion: A mapping, a geometric object. Not a bunch of numbers.

N.B. ­ notation        ­ tensors at a point ~ tensor fields        ­ vector space, affine space, point space

Page 4: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What are they good for?Tensors describe physical properties of/in­ mechanics (stress tensor, strain tensor)­ vector calculus (vector fields)­ medicin (wait and see...)­ electromagnetism (Maxwell tensor, EM­field)­ relativity (curvature of space­time)­ ...

Page 5: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What is a vector?Example: a vector in the plane (with origin). Is it a, b or c?

(My choice is c.)

Page 6: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What about a)?

x

y

1

p

q

1

2

p

q

2

Page 7: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Vector spaces (over R)

uv

u+v

­3/2 u

Page 8: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

A picture

(What is this box for?)

• The elements are vectors• No basis: no coordinates• Beware: Rn is special

   (why?)

N.B.vector space ~ affine space ~ point space

Page 9: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Notation, a remark

Page 10: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

An example

Page 11: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Linear mappings

V W

Page 12: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The matrix of a mapping (given a basis)V W

Page 13: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Change of basis?

w2w1

v2

v1 x1v1

x2v2

y1w1

y2w2u

Page 14: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What happens to the coordinates of u?

Page 15: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What happens to the matrix       ?

Page 16: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Gradient & scalar product as a mapping

Page 17: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The dual space

Ex. condensator:Potential V1

Potential V0Origin

Page 18: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

How do we draw dual vectors?

Do you see that

Page 19: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

An observation

Page 20: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The dual basis (cf. reciprocal basis)

(dual)

(reciprocal)

Page 21: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The dimension of V*

Page 22: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Coordinates, example

Page 23: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

What happens to the coordinates of ω?

Page 24: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The metric, scalar productu v

θ

Page 25: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

An observation

Page 26: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The components of g (what basis?)

Page 27: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

The components of g (what basis?) II

Page 28: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Components of g, III

Page 29: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Another example

Page 30: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Another example II

Page 31: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

But then....

Page 32: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Drawing the metric g

gu

v

g(u,  ).

Page 33: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

One definition of a tensor

Page 34: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Remember our list:• Tensors describe physical properties of/in• mechanics (stress tensor, strain tensor)• vector calculus (vector fields)• medicin (wait and see...)• electromagnetism (Maxwell tensor, EM­

field)• relativity (curvature of space­time)•  ....

Page 35: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Some remarks• Have not talked so much of the basis • More can be said about notation• Tensors a point ­> tensor fields• Transformation properties of components

will follow• Differentiation of tensor fields, in particular

covariant derivative

Page 36: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

A word on covariant derivative

A covector. Components.

Page 37: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Covariant derivative

Page 38: Tensor Tutorial

   SIMILAR workshop, June 2005

Covariant derivative,II

That’sall fornow.