Пусть и две декартовы системы координат, повернутые друг относительно друга, с базисными векторами (ортами) , , образующими правые ортонормированные тройки. Поскольку системы координат и декартовы, то и .
Здесь - символКронекера.
Произвольный вектор можно разложить подобно радиус-вектору по ортам обеих систем координат:
(Данные выражения записаны с использованием правила Эйнштейна, которое подразумевает суммирование по парам повторяющихся индексов, в то время как знак суммы опускается. Это правило будет использовано в дальнейшем).
Величины и называются компонентами вектора и являются ортогональными проекциями данного вектора на орты и :
, и .
Установим связь между проекциями вектора на различные базисные орты:
(2.1)
где - матричные элементы матрицы поворота . Если объединить компоненты в одностолбцовую матрицу , а компоненты в одностолбцовую матрицу , то закон преобразования компонент вектора можно записать в матричных обозначениях:
Задание. Убедиться в справедливости последнего равенства, раскрыв в явном виде произведение матриц.
Докажем, что матрица ортогональна, т.е. :
При выводе мы воспользовались свойствами скалярного произведения и тем, что , поскольку левая часть равенства представляет собой разложение базисного орта по базисным ортам .
Задание. Докажите, что
С учетом закона преобразования компонент вектора при повороте системы координат можно дать следующее определение вектора:
Вектором называется трехкомпонентная величина, компоненты которой преобразуются при повороте системы координат так же, как компоненты радиус-вектора по правилу (2.1) с помощью матрицы поворота .
Такое определение вектора допускает обобщение на случай величин с числом компонент, большим трех. Так возможны девятикомпонентные
величины, компоненты которых нумеруются двумя векторными индексами , каждый из которых пробегает независимо значения 1,2,3. Возможны 27-и
компонентные величины, компоненты которых нумеруются тремя векторными индексами. Наконец, возможны - компонентные величины, компоненты которых нумеруются N векторными индексами (векторные индексы независимо пробегают множество значений 1,2,3). Если компоненты этих многокомпонентных величин преобразуются по законам:
то эти многокомпонентные величины называются тензорами соответственно второго, третьего и N-ранга. Ранг тензора определяется числом векторных индексов, нумерующих его компоненты. Максимальное число независимых компонент тензора ранга N равно в случае трехмерного пространства.
Вопрос. Чему равно число независимых компонент тензора ранга N в случае двумерного пространства?
Компоненты тензора второго ранга естественно объединяются в квадратную матрицу со следующим законом преобразования матричных элементов:
или ,
где и квадратные матрицы с матричными элементами и .
Очевидно, что вектор является тензором первого ранга, а скаляр - нулевого. Ранг тензора также называют тензорной размерностью, или валентностью.