《张量分析》第一章矢量和张量.doc

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PAGE PAGE 14 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 SEQ MTEqn \r \h SEQ MTSec \r 1 \h SEQ MTChap \r 1 \h 矢量与张量 为什么学习张量 1. 物理量: 标量 矢量 张量 X 2. 客观性:坐标系(观察者) 客观规律的第一要素 第一章:矢量 矢量:1.方向性 2.合成结果与顺序无关 不符合这两点要求的不是矢量。转动具有大小和方向 但由于不满足交换律(第2要素),因而不是矢量。 线性相关:一组矢量中至少有一个矢量可以用其余的矢量线性组合表示 线性无关: 最大线性无关组 基本运算: 点积 机械功 a 分配律证明: a a a 2.叉积 有方向的平行四边形面积 混合积 六面体体积 改变六面体底、高顺序 可证: 3. 第二讲:斜角直线坐标系 力的分解 如果 则 2.斜角直线坐标系 协变基矢量 (自然基矢量) 逆变基矢量 两种坐标基矢量的作用 上下指标的不同意义:协变 逆变 哑指标及其求和约定 哑指标 (求和约定) 举例:矢量分解 矩阵乘法 自由指标 (表达式中各项出现且只出现一次,同为上或为下指标) 取值范围内全部成立 可同时换为其它字母而不影响意义 说明逆变基矢量定义表达式的指标记法 逆变基矢量的求解 1.根据定义 12 1 2 3 根据 度量张量的协、逆变分量 (可用于求解高于3维的坐标系的逆变基矢量) 度量张量的作用 3. 升降指标 (单位直角坐标系下) 第三讲:曲线坐标系 曲线坐标:确定空间中一点所用的参数 ①矢径 其中为直角坐标 作用:点到矢量 ②典型的曲线坐标系 柱坐标系: 球坐标系: ③曲线坐标的必要条件 xyz x y z 来源: 必须有唯一解(点到曲线坐标的一一对应) 坐标线 (只连续改变一个曲线坐标所对应的点形成的轨迹,通常是一条曲线) 协变基矢量:坐标线沿增加方向的切线) 极坐标系下: 但 (曲线坐标的局部性) 可见:曲线坐标系协变基矢量与位置有关(是曲线坐标的函数),模也不一定是1。 由于: 所以 把曲线坐标表述为直角坐标的函数,对直角坐标求偏导数就可得到相应的逆变基地。 2 .坐标转换 (协变转换系数、逆变转换系数) (两种转换系数互逆) 由于 所以 (转换系数和曲线坐标间的关系) 矢量分量的转换 作业:求极坐标系的协变基矢量、逆变基矢量以及它与直角坐标系之间的转换系数。 第四讲:张量的基本概念 分量定义: 外法线为的截面上的面力: 当坐标系变换时 然而 所以 此式要求对任意的截面都成立,因而 特点:每个指标都按照矢量分量变化规律变化。这样的一组相互之间有联系的量称作张量 (指标顺序不可更换) 如度量张量: 整体表示 对于矢量,由 可自然导出: 张量也有类似的整体表示 并矢: 其运算法则与矩阵相乘完全相同: ①并矢是张量 ②并矢与矢量的运算 可推广至并矢与并矢之间的点积和叉积 张量的基底是基矢量的并矢: 并矢的顺序要与指标顺序相同 基矢量指标与分量指标要构成哑指标 整体表示自然满足张量定义 不同坐标系下相同;不同基矢量(协逆变)下相同 指标升降规律与矢量分量的指标升降规律相同 同理: 指标升降不可改变指标顺序(同一竖直线上) 度量张量的性质: 张量的转置:保持基矢量并矢顺序改变其中一对分量指标的顺序所得到的张量(或保持分量指标顺序改变基矢量指标并矢顺序) 对二阶张量(介绍张量阶的概念)表示转置 若则称该张量对称。 度量张量是对称张量 举例:惯性矩张量 作业:证明:由组成的一组量是三阶张量 第五讲: 一、张量的代数运算 1. 相加: 条件:同阶张量 基底相同 2. 数乘: 3. 并乘: 4. 缩并: 张量阶数减2 标量为零阶张量 5.双点积 (并联式、串联式) 应变能密度 6.张量的商法则 应力是张量: 二、张量的矢积 1.置换符号 逆序数:有一排列 第i 位置后小于的元素数 偶置换(奇置换):各位的逆序数之和为偶数(奇数) 顺序排列(偶置换)、逆序排列(奇置换)、非序排列(各位中至少有两个是相相同的) 顺序排列12 顺序排列 1 2 3 非序排列逆序排列 非序排列 排列:126354;S(1)=0;S(2)=0;S(3)=3;S(4)=0;S(5)=1;偶排列 排列的奇偶性不变: 三维空间中: 推广到一般情况 特别地: 广义符号 ijk与rst排列的奇偶性质相同则取值1; 不同则取值-1; 有一个是非序排列则为零。 第六讲:置换张量

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