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{{Formelsammlung|Tensoralgebra}} | {{Formelsammlung|Tensoralgebra}} | ||
Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der '''Tensoralgebra''' für Tensoren zweiter Stufe in der [[Kontinuumsmechanik]] zusammen. | Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der '''Tensoralgebra''' für Tensoren zweiter Stufe in der [[Kontinuumsmechanik]] zusammen. Es wird der dreidimensionale Raum zugrunde gelegt. | ||
== Allgemeines == | == Allgemeines == | ||
=== Notation === | === Notation === | ||
* Operatoren wie <math>\ | * Operatoren wie <math>\mathrm{I}_1</math> werden nicht kursiv geschrieben. | ||
* Buchstaben die als Indizes benutzt werden: | * Buchstaben die als Indizes benutzt werden: | ||
** <math>i,j,k,l,m,n\in\{1,2,3\}</math>.<br>Ausnahme:<br>Die imaginäre Einheit <math>\mathrm{i}^2 = -1</math> und die [[#Vektorinvariante]] <math>\vec{\ | ** <math>i,j,k,l,m,n\in\{1,2,3\}</math>.<br />Ausnahme:<br />Die imaginäre Einheit <math>\mathrm{i}^2 = -1</math> und die [[#Vektorinvariante]] <math>\vec{\mathrm{i}}</math> werden in Abgrenzung zu den Indizes nicht ''kursiv'' geschrieben. | ||
** <math>p,q,r,s\in\{1,2,\ldots ,9\}</math> | ** <math>p,q,r,s\in\{1,2,\ldots ,9\}</math> | ||
** <math>u,v\in\{1,2,\ldots ,6\}</math> | ** <math>u,v\in\{1,2,\ldots ,6\}</math> | ||
* Alle anderen Buchstaben stehen für reelle [[Zahl]]en. | * Alle anderen Buchstaben stehen für [[reelle Zahl]]en oder [[komplexe Zahl]]en. | ||
* Vektoren: | * Vektoren: | ||
** Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren im dreidimensionalen [[Prähilbertraum|euklidischen Vektorraum]] <math>\mathbb{V}</math>. | ** Alle hier verwendeten Vektoren sind geometrische Vektoren im dreidimensionalen [[Prähilbertraum|euklidischen Vektorraum]] <math>\mathbb{V}</math>. | ||
** Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet. | ** Vektoren werden mit Kleinbuchstaben bezeichnet.<br />Ausnahme [[#Dualer axialer Vektor]] <math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}</math> | ||
** [[Einheitsvektor]]en mit Länge eins werden wie in ê mit einem Hut versehen. Die [[Standardbasis]] von <math>\mathbb{V}</math> ist ê<sub>1,2,3</sub>. | |||
** Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in <math>\vec{a}</math> mit einem Pfeil versehen. | ** Vektoren mit unbestimmter Länge werden wie in <math>\vec{a}</math> mit einem Pfeil versehen. | ||
** Dreiergruppen von Vektoren wie in <math>\vec{h} | ** Dreiergruppen von Vektoren wie in <math>\vec{h}_1,\vec{h}_2,\vec{h}_3</math> oder <math>\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3}</math> bezeichnen eine [[Rechtssystem (Mathematik)|rechtshändige]] [[Basis (Vektorraum)|Basis]] von <math>\mathbb{V}</math>. | ||
** Gleichnamige Basisvektoren mit unterem und oberem Index sind [[Duale Basis|dual]] zueinander, z. B. <math>\vec{g} | ** Gleichnamige Basisvektoren mit unterem und oberem Index sind [[Duale Basis|dual]] zueinander, z. B. <math>\vec{g}_1,\vec{g}_2,\vec{g}_3</math> ist dual zu <math>\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3}</math>. | ||
* Tensoren zweiter Stufe werden wie in | * Tensoren zweiter Stufe werden wie in '''A''' mit fetten Großbuchstaben notiert. Die Menge aller Tensoren wird mit <math>\mathcal{L}:=\mathrm{Lin}(\mathbb{V},\mathbb{V})</math> bezeichnet. Tensoren höherer Stufe werden mit einer hochgestellten Zahl wie in <math>\stackrel{4}{\mathbf{C}}</math> geschrieben. Tensoren vierter Stufe sind Elemente der Menge <math>\stackrel{4}{\mathcal{L}}:=\mathrm{Lin}(\mathcal{L},\mathcal{L})</math>. | ||
* Es gilt die [[Einsteinsche Summenkonvention|Einstein'sche Summenkonvention]] ohne Beachtung der Indexstellung. | * Es gilt die [[Einsteinsche Summenkonvention|Einstein'sche Summenkonvention]] ohne Beachtung der Indexstellung. | ||
** Kommt in einer Formel in einem [[Multiplikation|Produkt]] ein Index doppelt vor wie in <math>c=a_i b^i</math> wird über diesen Index summiert:<br> <math>c=a_i b^i =\sum_{i=1}^3 a_i b^i</math>. | ** Kommt in einer Formel in einem [[Multiplikation|Produkt]] ein Index doppelt vor wie in <math>c=a_i b^i</math> wird über diesen Index summiert:<br /> <math>c=a_i b^i =\sum_{i=1}^3 a_i b^i</math>. | ||
** Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in <math>c=A_{pq} B^p_q</math> wird über diese summiert:<br> <math>c=A_{pq} B^p_q =\sum_{p=1}^9\sum_{q=1}^9 A_{pq} B^p_q</math>. | ** Kommen mehrere Indizes doppelt vor wie in <math>c=A_{pq}B^p_q</math> wird über diese summiert:<br /> <math>c=A_{pq}B^p_q =\sum_{p=1}^9\sum_{q=1}^9 A_{pq}B^p_q</math>. | ||
** Ein Index, der nur einfach vorkommt wie <math>u</math> in <math>a_u = A_{uv} b_v</math>, ist ein ''freier'' Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:<br> <math>a_u = A_{uv} b_v\quad\leftrightarrow\quad a_u =\sum_{v=1}^6 A_{uv} b_v\quad\forall\; u\in\{1,\ldots ,6\}</math>. | ** Ein Index, der nur einfach vorkommt wie <math>u</math> in <math>a_u = A_{uv}b_v</math>, ist ein ''freier'' Index. Die Formel gilt dann für alle Werte der freien Indizes:<br /> <math>a_u = A_{uv}b_v\quad\leftrightarrow\quad a_u =\sum_{v=1}^6 A_{uv}b_v\quad\forall\; u\in\{1,\ldots ,6\}</math>. | ||
=== Glossar === | === Glossar === | ||
==== Reservierte und besondere Symbole ==== | ==== Reservierte und besondere Symbole ==== | ||
{| class=wikitable | {| class="wikitable" | ||
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! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ||
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| <math>\mathbf{I}</math> || [[#Einheitstensor]] || [[Einheitstensor]] | | <math>\mathbf{I,1}</math> || [[#Einheitstensor]] || [[Einheitstensor]] | ||
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| <math>\mathbf{Q | | <math>\mathbf{Q,R}</math> || [[#Orthogonale Tensoren]] | ||
| [[Orthogonaler Tensor]] | | [[Orthogonaler Tensor]] | ||
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| <math>\delta_{ij}</math> || [[#Kronecker-Delta]] | | <math>\lambda</math> || [[#Eigenwerte]] || [[Eigenwertproblem]] | ||
| [[Kronecker-Delta]] | |- | ||
| <math>\delta_{ij}</math> || [[#Kronecker-Delta]] || [[Kronecker-Delta]] | |||
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| <math>\epsilon_{ijk}</math> || [[#Permutationssymbol]] | | <math>\epsilon_{ijk}</math> || [[#Permutationssymbol]] | ||
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| [[Epsilon-Tensor]] | | [[Epsilon-Tensor]] | ||
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| <math>[\vec{a}]_\times</math> | | <math> [\vec{a}]_\times</math> | ||
| [[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix | | [[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix]] | ||
| [[Kreuzprodukt]] | | [[Kreuzprodukt]] | ||
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| <math>\ | | <math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}},\mathbf{A}_\times</math> | ||
|[[# | | [[#Dualer axialer Vektor]] | ||
| [[Kreuzprodukt]] | | [[Kreuzprodukt]] | ||
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| <math>\vec{\mathrm{i}}</math> || [[#Vektorinvariante]] | |||
| [[Vektorinvariante]] | |||
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| <math>\mathrm{i}</math> || || [[Imaginäre Einheit]] | |||
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==== Zeichen für Operatoren ==== | ==== Zeichen für Operatoren ==== | ||
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! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ||
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| <math>(\cdot)\cdot(\cdot)</math> | | <math>(\cdot)\cdot(\cdot)</math> | ||
| Skalarprodukt von Vektoren, [[#Vektortransformation | | Skalarprodukt von Vektoren, [[#Vektortransformation]], [[#Tensorprodukt]] | ||
| [[Skalarprodukt]] | | [[Skalarprodukt]] | ||
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| <math>(\cdot)\times(\cdot)</math> | | <math>(\cdot)\times(\cdot)</math> | ||
| [[#Kreuzprodukt | | [[#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor]], [[#Kreuzprodukt von Tensoren]] | ||
| [[Kreuzprodukt]] | | [[Kreuzprodukt]] | ||
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| <math>(\cdot):(\cdot)</math> | | <math>(\cdot):(\cdot)</math> | ||
| | | [[#Skalarprodukt von Tensoren]] | ||
| [[Frobenius-Skalarprodukt]] | | [[Frobenius-Skalarprodukt]] | ||
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| <math>(\cdot)\cdot\!\!\times(\cdot)</math> | | <math>(\cdot)\cdot\!\!\times(\cdot)</math> | ||
| | | [[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]] | ||
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| <math>(\cdot)\times\!\!\times(\cdot)</math> | | <math>(\cdot)\times\!\!\times(\cdot)</math> | ||
| | | [[#Doppeltes Kreuzprodukt von Tensoren]] | ||
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| <math>(\cdot)\#(\cdot)</math> | | <math>(\cdot)\#(\cdot)</math> | ||
| | | [[#Äußeres Tensorprodukt]] | ||
| [[Äußeres Tensorprodukt]] | | [[Äußeres Tensorprodukt]] | ||
|- | |- | ||
| <math>\parallel (\cdot)\parallel</math> || [[# | | <math>\parallel(\cdot)\parallel</math> || [[#Betrag]] | ||
| [[Frobeniusnorm]] | | [[Frobeniusnorm]] | ||
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| <math>|x|, |\vec v|, |\mathbf A|</math> | |||
| Betrag der Zahl x oder des Vektors <math>\vec v</math>, [[#Determinante]] des Tensors '''A''' | |||
| [[Determinante]] | |||
|} | |} | ||
==== Tensorfunktionen ==== | ==== Tensorfunktionen ==== | ||
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! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ||
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| <math>\ | | <math>\mathrm{Sp, tr, I}_1</math> || [[#Spur]] | ||
| [[#Spur | | [[Spur (Mathematik)]], [[Hauptinvariante]] | ||
|[[Spur (Mathematik)]], [[Hauptinvariante]] | |||
|- | |- | ||
| <math>\ | | <math>\mathrm{I}_2</math> || [[#Zweite Hauptinvariante]] | ||
| [[Hauptinvariante]] | | [[Hauptinvariante]] | ||
|- | |- | ||
| <math>\ | | <math>\mathrm{det, I}_3, |\mathbf A|</math> | ||
| [[#Determinante]] | |||
| [[Determinante]], [[Hauptinvariante]] | | [[Determinante]], [[Hauptinvariante]] | ||
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| | | sym || [[#Symmetrischer Anteil]] || [[Symmetrische Matrix]] | ||
| [[Symmetrische Matrix]] | |||
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| | | skw, skew || [[#Schiefsymmetrischer Anteil]] || [[Schiefsymmetrische Matrix]] | ||
| [[#Schiefsymmetrischer Anteil]] || [[Schiefsymmetrische Matrix]] | |||
|- | |- | ||
| | | adj || [[#Adjunkte]] || [[Adjunkte]] | ||
|- | |- | ||
| | | cof || [[#Kofaktor]] || [[Minor (Mathematik)#Kofaktormatrix]] | ||
| [[Minor (Mathematik)#Kofaktormatrix]] | |||
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| | | dev || [[#Deviator]] || [[Deviator]], [[Spannungsdeviator]] | ||
| [[Deviator]], [[Spannungsdeviator]] | |||
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| | | sph || [[#Kugelanteil]] || [[Kugeltensor]] | ||
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==== Indizes ==== | ==== Indizes ==== | ||
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! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ! Formelzeichen !! Abschnitt in der Formelsammlung !! Wikipedia-Artikel | ||
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| <math>(\cdot)_{ij}, (\cdot)^{ij}, (\cdot)^i_j</math> | | <math>(\cdot)_{ij},(\cdot)^{ij},(\cdot)^i_j</math> || [[#Tensorkomponenten]] | ||
| [[#Tensorkomponenten]] | |||
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| <math>(\cdot)^\top</math> | | <math>(\cdot)^\top</math> || [[#Transposition]] || [[Transponierte Matrix]] | ||
| [[#Transposition | |||
| [[Transponierte Matrix]] | |||
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| <math>(\cdot)^{\stackrel{mn}{\top}}</math> | | <math>(\cdot)^{\stackrel{mn}{\top}}</math> | ||
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| <math>(\cdot)^{-1}</math> || [[#Inverse | | <math>(\cdot)^{-1}</math> || [[#Inverse]] || [[Inverse Matrix]] | ||
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| <math>(\cdot)^{-\top}, (\cdot)^{\top -1}</math> | | <math>(\cdot)^{-\top},(\cdot)^{\top -1}</math> | ||
| [[#Transposition | | [[#Transposition]] der [[#Inverse]] | ||
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| <math>(\cdot)^ | | <math>(\cdot)^\mathrm{S}</math> || [[#Symmetrischer Anteil]] | ||
| [[Symmetrische Matrix]] | | [[Symmetrische Matrix]] | ||
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| <math>(\cdot)^ | | <math>(\cdot)^\mathrm{A}</math> || [[#Schiefsymmetrischer Anteil]] | ||
| [[Schiefsymmetrische Matrix]] | | [[Schiefsymmetrische Matrix]] | ||
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| <math>(\cdot)^ | | <math>(\cdot)^\mathrm{D}</math> || [[#Deviator]] | ||
| [[Deviator]], [[Spannungsdeviator]] | | [[Deviator]], [[Spannungsdeviator]] | ||
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| <math>(\cdot)^ | | <math>(\cdot)^\mathrm{K}</math> || [[#Kugelanteil]] || [[Kugeltensor]] | ||
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| <math>\stackrel{n}{(\cdot)}</math> || Tensor n-ter Stufe || | | <math>\stackrel{n}{(\cdot)}</math> || Tensor n-ter Stufe || | ||
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| <math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}},\mathbf{A}_\times</math> | |||
| [[#Dualer axialer Vektor]] | |||
| [[Kreuzprodukt]] | |||
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==== Mengen ==== | ==== Mengen ==== | ||
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! Formelzeichen !! Elemente | ! Formelzeichen !! Elemente | ||
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|<math>\R</math>|| [[Reelle Zahl]]en | |<math>\R</math> || [[Reelle Zahl]]en | ||
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|<math>\Complex</math> || [[Komplexe Zahl]]en | |||
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|<math>\mathbb{V}</math>||[[Vektor]]en | |<math>\mathbb{V}</math> || [[Vektor]]en | ||
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|<math>\mathcal{L}=\mathrm{Lin}(\mathbb{V, V})</math> | |<math>\mathcal{L}=\mathrm{Lin}(\mathbb{V, V})</math> | ||
| [[Tensor]]en zweiter Stufe | |||
|- | |- | ||
|<math>\stackrel{4}{\mathcal{L}}=\mathrm{Lin}(\mathcal{L, L})</math> | |<math>\stackrel{4}{\mathcal{L}}=\mathrm{Lin}(\mathcal{L, L})</math> | ||
| [[#Tensoren vierter Stufe]] | |||
|} | |} | ||
=== Kronecker-Delta === | === Kronecker-Delta === | ||
{{ | {{Siehe auch|Kronecker-Delta}} | ||
:<math>\delta_{ij} | :<math>\delta_{ij} | ||
=\delta^{ij} | =\delta^{ij} | ||
=\delta_i^j | =\delta_i^j | ||
=\delta_j^i | =\delta_j^i | ||
= | =\begin{cases} | ||
1&\mathrm{falls}\quad i =j | 1&\mathrm{falls}\quad i =j | ||
\\ | \\ | ||
0&\mathrm{sonst} | 0&\mathrm{sonst} | ||
\end{ | \end{cases}</math> | ||
Für Summen gilt dann z. B. | Für Summen gilt dann z. B. | ||
:<math>v_i\delta_{ij} = v_j</math> | |||
:<math>A_{ij}\delta_{ij} = A_{ii}</math> | :<math>v_i\delta_{ij}= v_j</math> | ||
:<math>A_{ij}\delta_{ij}= A_{ii}</math> | |||
Dies gilt für die anderen Indexgruppen entsprechend. | Dies gilt für die anderen Indexgruppen entsprechend. | ||
=== Permutationssymbol === | === Permutationssymbol === | ||
{{ | {{Siehe auch|Permutationssymbol}} | ||
:<math>\epsilon_{ijk} | :<math>\epsilon_{ijk} | ||
=\hat{e}_i\cdot(\hat{e}_j\times\hat{e}_k ) | =\hat{e}_i\cdot(\hat{e}_j\times\hat{e}_k) | ||
=\begin{cases} | =\begin{cases} | ||
1 &\text{ | 1 &\text{falls}\;(i,j,k)\in\{(1,2,3),(2,3,1),(3,1,2)\} | ||
\\ | \\ | ||
-1 &\text{ | -1 &\text{falls}\;(i,j,k)\in\{(1,3,2),(2,1,3),(3,2,1)\} | ||
\\ | \\ | ||
0 &\text{sonst, d.h. bei doppeltem Index} | 0 &\text{sonst, d.h. bei doppeltem Index} | ||
\end{cases} | \end{cases} | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\epsilon_{ijk}\epsilon_{lmn}=\begin{vmatrix} | :<math>\epsilon_{ijk}\epsilon_{lmn}=\begin{vmatrix} | ||
\delta_{il} &\delta_{jl} &\delta_{kl} | \delta_{il}&\delta_{jl}&\delta_{kl} | ||
\\ | \\ | ||
\delta_{im} &\delta_{jm} &\delta_{km} | \delta_{im}&\delta_{jm}&\delta_{km} | ||
\\ | \\ | ||
\delta_{in} &\delta_{jn} &\delta_{kn} | \delta_{in}&\delta_{jn}&\delta_{kn} | ||
\end{vmatrix} | \end{vmatrix} | ||
</math> | </math> | ||
:<math> | |||
\epsilon_{ijk}\epsilon_{klm} | :<math> | ||
\epsilon_{ijk}\epsilon_{klm}=\delta_{il}\delta_{jm}-\delta_{im}\delta_{jl} | |||
\epsilon_{ijk}\epsilon_{jkl} | </math> | ||
:<math> | |||
\epsilon_{ijk}\epsilon_{ijk} | \epsilon_{ijk}\epsilon_{jkl}=2\delta_{il} | ||
</math> | |||
:<math> | |||
\epsilon_{ijk}\epsilon_{ijk}=6 | |||
</math> | |||
Kreuzprodukt: | Kreuzprodukt: | ||
:<math>a_i\hat{e}_i\times b_j\hat{e}_j | :<math>a_i\hat{e}_i\times b_j\hat{e}_j | ||
=\epsilon_{ijk} a_i b_j\hat{e}_k | =\epsilon_{ijk}a_i b_j\hat{e}_k | ||
=\epsilon_{ijk} a_j b_k\hat{e}_i | =\epsilon_{ijk}a_j b_k\hat{e}_i | ||
=\epsilon_{ijk} a_k b_i\hat{e}_j | =\epsilon_{ijk}a_k b_i\hat{e}_j | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\epsilon_{ijk}\hat{e}_k=\hat{e}_i\times\hat{e}_j</math> | |||
=== Spaltenvektoren und Matrizen === | === Spaltenvektoren und Matrizen === | ||
{{ | {{Siehe auch|Matrix (Mathematik)}} | ||
Die hier verwendeten Vektoren sind Spaltenvektoren | Die hier verwendeten Vektoren sind Spaltenvektoren | ||
:<math>\vec{a} = a_i\hat{e}_i =\begin{pmatrix} a_1\\ a_2\\ a_3\end{pmatrix}</math> | |||
:<math>\vec{a}= a_i\hat{e}_i =\begin{pmatrix}a_1\\ a_2\\ a_3\end{pmatrix}</math> | |||
Drei Vektoren <math>\vec{a},\vec{b},\vec{c}</math> können spaltenweise in einer 3×3-Matrix <math>M</math> arrangiert werden: | Drei Vektoren <math>\vec{a},\vec{b},\vec{c}</math> können spaltenweise in einer 3×3-Matrix <math>M</math> arrangiert werden: | ||
:<math>M | :<math>M | ||
=\begin{pmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{pmatrix} | =\begin{pmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{pmatrix} | ||
Zeile 239: | Zeile 264: | ||
Die [[Determinante]] der Matrix | Die [[Determinante]] der Matrix | ||
:<math>|M| =\begin{vmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix}</math> | :<math>|M| =\begin{vmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix}</math> | ||
ist | ist | ||
* ungleich null, wenn die Spaltenvektoren [[Lineare Unabhängigkeit|linear unabhängig]] sind und | * ungleich null, wenn die Spaltenvektoren [[Lineare Unabhängigkeit|linear unabhängig]] sind und | ||
* größer null, wenn die Spaltenvektoren zusätzlich ein [[Rechtssystem (Mathematik)|Rechtssystem]] bilden. | * größer null, wenn die Spaltenvektoren zusätzlich ein [[Rechtssystem (Mathematik)|Rechtssystem]] bilden. | ||
Also gewährleistet <math> | Also gewährleistet <math>\begin{vmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix}> 0</math>, dass die Vektoren <math>\vec{a},\vec{b},\vec{c}</math> eine rechtshändige Basis bilden. | ||
Die Spaltenvektoren bilden eine [[Orthonormalbasis]], wenn | Die Spaltenvektoren bilden eine [[Orthonormalbasis]], wenn | ||
:<math>M^\top M | :<math>M^\top M | ||
=\begin{pmatrix} | =\begin{pmatrix} | ||
Zeile 256: | Zeile 282: | ||
\end{pmatrix}</math> | \end{pmatrix}</math> | ||
worin <math>M^\top</math> die [[transponierte Matrix]] ist. Bei der hier vorausgesetzten Rechtshändigkeit gilt dann zusätzlich <math>|M|=+1</math> | worin <math>M^\top</math> die [[transponierte Matrix]] ist. Bei der hier vorausgesetzten Rechtshändigkeit gilt dann zusätzlich <math>|M|=+1</math>. | ||
=== Vektoralgebra === | === Vektoralgebra === | ||
==== Basis und Duale Basis ==== | ==== Basis und Duale Basis ==== | ||
{{ | {{Siehe auch|Vektorraumbasis}} | ||
Basisvektoren <math>\vec{g} | Basisvektoren <math>\vec{g}_1,\vec{g}_2,\vec{g}_3</math> | ||
Duale Basisvektoren <math>\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3}</math> | Duale Basisvektoren <math>\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3}</math> | ||
Beziehungen zwischen den Basisvektoren | Beziehungen zwischen den Basisvektoren | ||
:<math>\vec{g}_i\cdot\vec{g}^ | |||
:<math>\vec{g}_i\cdot\vec{g}^j =\delta_i^j</math> | |||
:<math>\vec{g}^{1} | :<math>\vec{g}^{1} | ||
=\frac{\vec{g} | =\frac{\vec{g}_2\times\vec{g}_3}{(\vec{g}_1,\vec{g}_2,\vec{g}_3)}, | ||
\quad | \quad | ||
g^{2} | g^{2} | ||
=\frac{\vec{g} | =\frac{\vec{g}_3\times\vec{g}_1}{(\vec{g}_1,\vec{g}_2,\vec{g}_3)}, | ||
\quad | \quad | ||
g^{3} | g^{3} | ||
=\frac{\vec{g} | =\frac{\vec{g}_1\times\vec{g}_2}{(\vec{g}_1,\vec{g}_2,\vec{g}_3)} | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\vec{g} | |||
:<math>\vec{g}_1 | |||
=\frac{\vec{g}^{2}\times\vec{g}^{3}}{(\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3})}, | =\frac{\vec{g}^{2}\times\vec{g}^{3}}{(\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3})}, | ||
\quad | \quad | ||
g_2 | |||
=\frac{\vec{g}^{3}\times\vec{g}^{1}}{(\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3})}, | =\frac{\vec{g}^{3}\times\vec{g}^{1}}{(\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3})}, | ||
\quad | \quad | ||
g_3 | |||
=\frac{\vec{g}^{1}\times\vec{g}^{2}}{(\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3})} | =\frac{\vec{g}^{1}\times\vec{g}^{2}}{(\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3})} | ||
</math> | </math> | ||
mit dem [[Spatprodukt]] | mit dem [[Spatprodukt]] | ||
:<math>(\vec{a},\vec{b},\vec{c}): | :<math>(\vec{a},\vec{b},\vec{c}): | ||
=\vec{a}\cdot (\vec{b}\times\vec{c}) | =\vec{a}\cdot(\vec{b}\times\vec{c}) | ||
=\vec{c}\cdot (\vec{a}\times\vec{b}) | =\vec{c}\cdot(\vec{a}\times\vec{b}) | ||
=\vec{b}\cdot (\vec{c}\times\vec{a}) | =\vec{b}\cdot(\vec{c}\times\vec{a}) | ||
= | =\begin{vmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix} | ||
</math> | </math> | ||
Trägt man die Basisvektoren spaltenweise in eine Matrix ein, dann finden sich die dualen Basisvektoren in den Zeilen der Inversen oder den Spalten der transponiert | Trägt man die Basisvektoren spaltenweise in eine Matrix ein, dann finden sich die dualen Basisvektoren in den Zeilen der Inversen oder den Spalten der [[#Transposition|#transponiert]] [[#Inverse]]n <math>()^{\top -1}</math>: | ||
:<math> | |||
\vec{g}^{1} &\vec{g}^{2} &\vec{g}^{3}\end{ | :<math>\begin{pmatrix} | ||
\vec{g}^{1}&\vec{g}^{2}&\vec{g}^{3}\end{pmatrix} | |||
= | = | ||
\begin{pmatrix} | |||
\vec{g} | \vec{g}_1 &\vec{g}_2 &\vec{g}_3\end{pmatrix}^{\top -1} | ||
</math> | </math> | ||
In der Standardbasis wie in jeder [[Orthonormalbasis]] sind die Basisvektoren <math>\hat{e}_1,\hat{e}_2,\hat{e}_3</math> zu sich selbst dual: | |||
:<math>\hat{e}_i =\hat{e}^i</math> | |||
:<math>\hat{e}_i =\hat{e}^ | |||
==== Berechnung von Vektorkomponenten ==== | |||
= | |||
= | |||
= | |||
= | |||
= | |||
= | |||
:<math>\vec{v}= v_i\hat{e}_i | |||
:<math>\vec{v} = v_i\hat{e}_i | |||
\quad\rightarrow\; | \quad\rightarrow\; | ||
v_i =\vec{v}\cdot\hat{e}_i | v_i =\vec{v}\cdot\hat{e}_i | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\vec{v} = v^ | |||
:<math>\vec{v}= v^i\vec{g}_i | |||
\quad\rightarrow\; | \quad\rightarrow\; | ||
v^ | v^i =\vec{v}\cdot\vec{g}^i | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\vec{v} = v_i\vec{g}^ | |||
:<math>\vec{v}= v_i\vec{g}^i | |||
\quad\rightarrow\; | \quad\rightarrow\; | ||
v_i =\vec{v}\cdot\vec{g}_i | v_i =\vec{v}\cdot\vec{g}_i | ||
</math> | </math> | ||
==== Beziehung zwischen den Skalarprodukten der Basisvektoren ==== | |||
:<math>(\vec{g}_i\cdot\vec{g}_k)(\vec{g}^k\cdot\vec{g}^j) | |||
=\vec{g}_i\cdot(\vec{g}^j\cdot\vec{g}^k)\vec{g}_k | |||
=\vec{g}_i\cdot\vec{g}^j | |||
=\delta_i^j</math> | |||
==== Wechsel der Basis bei Vektoren ==== | ==== Wechsel der Basis bei Vektoren ==== | ||
{{ | {{Siehe auch|Koordinatentransformation}} | ||
Wechsel von | Wechsel von | ||
Basis <math>\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3}</math> mit dualer Basis <math>\vec{g} | Basis <math>\vec{g}^{1},\vec{g}^{2},\vec{g}^{3}</math> mit dualer Basis <math>\vec{g}_1,\vec{g}_2,\vec{g}_3</math> | ||
nach | nach | ||
Basis <math>\vec{h}^{1},\vec{h}^{2},\vec{h}^{3}</math> mit dualer Basis <math>\vec{h} | Basis <math>\vec{h}^{1},\vec{h}^{2},\vec{h}^{3}</math> mit dualer Basis <math>\vec{h}_1,\vec{h}_2,\vec{h}_3</math>: | ||
:<math>\vec{v} | :<math>\vec{v} | ||
= v_i\,\vec{g}^ | = v_i\,\vec{g}^i | ||
= v_i^ | = v_i^\ast\,\vec{h}^i\quad\rightarrow\; v_i^\ast | ||
= (\vec{h}_i\cdot\vec{g}^ | =(\vec{h}_i\cdot\vec{g}^j)v_j</math> | ||
Matrizengleichung: | Matrizengleichung: | ||
:<math>\begin{ | |||
:<math>\begin{align} | |||
\begin{pmatrix}v_1^\ast\\ | |||
v_2^\ast\\ | |||
v_3^\ast\end{pmatrix} | |||
=& | |||
\begin{pmatrix} | \begin{pmatrix} | ||
\vec{h}_1\cdot\vec{g}^{1}&\vec{h}_1\cdot\vec{g}^{2}&\vec{h}_1\cdot\vec{g}^{3} | |||
\\ | |||
\vec{h}_2\cdot\vec{g}^{1}&\vec{h}_2\cdot\vec{g}^{2}&\vec{h}_2\cdot\vec{g}^{3} | |||
\\ | |||
\vec{h}_3\cdot\vec{g}^{1}&\vec{h}_3\cdot\vec{g}^{2}&\vec{h}_3\cdot\vec{g}^{3} | |||
\end{pmatrix} | |||
\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\v_3\end{pmatrix} | |||
\\=& | |||
\begin{pmatrix}\vec{h}_1&\vec{h}_2&\vec{h}_3\end{pmatrix}^\top | |||
\begin{pmatrix}\vec{g}^1&\vec{g}^2&\vec{g}^3\end{pmatrix} | |||
\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\v_3\end{pmatrix} | |||
\end{align}</math> | |||
== Dyadisches Produkt == | == Dyadisches Produkt == | ||
{{ | {{Siehe auch|Dyadisches Produkt}} | ||
Die grundlegenden Eigenschaften des dyadischen Produkts „⊗“ sind: | |||
Abbildung <math>\mathbb{V}\times\mathbb{V}\to\mathcal{L}</math> | Abbildung <math>\mathbb{V}\times\mathbb{V}\to\mathcal{L}</math> | ||
:<math>\vec a\otimes\vec g=\mathbf{T}\in\mathcal{L}</math> | |||
Multiplikation mit einem Skalar: | |||
:<math>x(\vec a\otimes\vec g)=(x\vec a)\otimes\vec g | |||
=\vec a\otimes(x\vec g)=x\vec a\otimes\vec g</math> | |||
:<math> | Distributivität: | ||
:<math>\ | :<math>(x+y)\vec a\otimes\vec g | ||
\otimes | =x\vec a\otimes\vec g+y\vec a\otimes\vec g</math> | ||
\ | :<math>(\vec a+\vec b)\otimes\vec g | ||
=\vec a\otimes\vec g+\vec b\otimes\vec g</math> | |||
\ | :<math>\vec a\otimes(\vec g+\vec h) | ||
=\vec a\otimes\vec g+\vec a\otimes\vec h</math> | |||
\\ | |||
[[Skalarprodukt]]: | |||
\\ | :<math>(\vec a\otimes\vec g):(\vec b\otimes\vec h) | ||
=(\vec a\cdot\vec b)(\vec g\cdot\vec h)</math> | |||
\ | |||
</math> | |||
Weitere Eigenschaften von Dyaden siehe [[#Dyade]] und den folgenden Abschnitt. | |||
=== | == Tensoren als Elemente eines Vektorraumes == | ||
{{Siehe auch|Dyadisches Produkt|Tensor}} | |||
Durch die Eigenschaften des dyadischen Produktes wird <math>\mathcal{L}</math> zu einem [[Prähilbertraum|euklidischen Vektorraum]] und entsprechend kann jeder Tensor komponentenweise bezüglich einer Basis von <math>\mathcal{L}</math> dargestellt werden: | |||
:<math>\mathbf{A}\in\mathcal{L}\rightarrow | |||
\mathbf{A}=A_{ij}\hat e_i\otimes\hat e_j | |||
=A^{ij}\vec a_i\otimes\vec g_j</math> mit Komponenten <math>A_{ij},A^{ij}\in\R</math>. | |||
Die Dyaden <math>\{\hat e_i\otimes\hat e_j| i,j=1,2,3\}</math> und <math>\{\vec a_i\otimes\vec g_j| i,j=1,2,3\}</math> bilden [[Basis (Vektorraum)|Basissysteme]] von <math>\mathcal{L}</math>. | |||
=== | === Operatoren === | ||
==== Transposition ==== | |||
{{Siehe auch|Transponierte Matrix}} | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\to\mathcal{L}</math> | |||
:<math> | :<math> | ||
(\vec{a}\otimes\vec{g})\ | (\vec{a}\otimes\vec{g})^\top:=\vec{g}\otimes\vec{a} | ||
</math> | |||
(\ | :<math> | ||
\\ | (A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)^\top | ||
= | |||
A_{ij}(\hat{e}_j\otimes\hat{e}_i) | |||
(\vec{a}\ | = A_{ji}(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | ||
</math> | |||
(\vec{ | :<math> | ||
(A^{ij}\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j)^\top | |||
\vec{ | = A^{ij}(\vec{g}_j\otimes\vec{a}_i) | ||
\ | = A^{ji}(\vec{g}_i\otimes\vec{a}_j) | ||
\ | </math> | ||
:<math> | |||
(\ | \left(\mathbf{A}^\top\right)^\top | ||
\ | = | ||
\mathbf A | |||
</math> | |||
:<math> | |||
(\mathbf{A+B})^\top | |||
= | |||
\mathbf{A}^\top +\mathbf{B}^\top | |||
</math> | |||
:<math> | |||
(\mathbf{A\cdot B})^\top | |||
=\mathbf{B}^\top\cdot\mathbf{A}^\top | |||
</math> | </math> | ||
=== | ==== Vektortransformation ==== | ||
Abbildung <math>\ | Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathbb{V}\to\mathbb{V}</math> oder <math>\mathbb{V}\times\mathcal{L}\to\mathbb{V}</math> | ||
\ | |||
Dyaden: | |||
:<math>(\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot | :<math> | ||
:=(\vec{g}\cdot\vec{h})\vec{a} | (\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot\vec{h} | ||
:= | |||
(\vec{g}\cdot\vec{h})\vec{a} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
:<math> | \vec{b}\cdot(\vec{a}\otimes\vec{g}) | ||
:= | |||
(\vec{a}\cdot\vec{b})\vec{g} | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | |||
(\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot\vec{h} | |||
= | |||
\vec{h}\cdot(\vec{a}\otimes\vec{g})^\top | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
\vec{b}\cdot(\vec{a}\otimes\vec{g}) | |||
=(\vec{ | = | ||
(\vec{a}\otimes\vec{g})^\top\cdot\vec{b} | |||
</math> | </math> | ||
Allgemeine Tensoren: | |||
:<math>(\ | :<math> | ||
: | A_{ij}(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)\cdot\vec{v} | ||
= (\vec{ | = | ||
A_{ij}(\vec{v}\cdot\hat{e}_j)\hat{e}_i | |||
</math> | |||
:<math> | |||
A^{ij}(\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j)\cdot\vec{v} | |||
= | |||
A^{ij}(\vec{v}\cdot\vec{g}_j)\vec{a}_i | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{v}\cdot A_{ij}(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
= | |||
A_{ij}(\vec{v}\cdot\hat{e}_i)\hat{e}_j | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{v}\cdot A^{ij}(\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j) | |||
= | |||
A^{ij}(\vec{v}\cdot\hat{a}_i)\vec{g}_j | |||
</math> | </math> | ||
Symbolisch: | |||
{{ | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\mathbf{A}^\top | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{v}\cdot\mathbf{A}=\mathbf{A}^\top\cdot\vec{v} | |||
</math> | |||
=== | ==== Tensorprodukt ==== | ||
{{Siehe auch|Matrizenmultiplikation}} | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathcal{L}\to\mathcal{L}</math> | |||
:<math>(\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot(\vec{h}\otimes\vec{u}) | |||
:<math> | :=(\vec{g}\cdot\vec{h})\vec{a}\otimes\vec{u}</math> | ||
: | |||
= | |||
</math> | |||
:<math>(\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot\mathbf{A} | |||
:<math> | =\vec{a}\otimes(\vec{g}\cdot\mathbf{A}) | ||
=\vec{a}\otimes\vec{g}\cdot\mathbf{A} | |||
=\vec{a}\otimes(\mathbf{A}^\top\cdot\vec{g}) | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math>\mathbf{A}\cdot(\vec{a}\otimes\vec{g}) | ||
\mathbf{A}\cdot\vec{ | =(\mathbf{A}\cdot\vec{a})\otimes\vec{g} | ||
\ | =\mathbf{A}\cdot\vec{a}\otimes\vec{g} | ||
\ | |||
</math> | </math> | ||
:<math>(A_{ik}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_k)\cdot | |||
(B_{lj}\hat{e}_l\otimes\hat{e}_j) | |||
:<math>( A_{ik}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_k )\cdot | |||
( B_{lj}\hat{e}_l\otimes\hat{e}_j ) | |||
= | = | ||
A_{ik} B_{kj} | A_{ik}B_{kj}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\left( | |||
\left( | :<math>\left(A^{ij}\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j\right)\cdot | ||
\left(B^{kl}\vec{h}_k\otimes\vec{u}_l\right) | |||
= | = | ||
A^{ij}(\vec{g}_j\cdot\vec{h}_k)B^{kl}\vec{a}_i\otimes\vec{u}_l | |||
</math> | </math> | ||
==== | ==== Skalarprodukt von Tensoren ==== | ||
{{Siehe auch|Frobenius-Skalarprodukt}} | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathcal{L}\to\R</math> | |||
</math> | Definition über die [[#Spur]]: | ||
:<math>(\vec{a}\ | :<math>(\vec{a}\otimes\vec{g}):(\vec{b}\otimes\vec{h}) | ||
:=\mathrm{Sp}((\vec{a}\otimes\vec{g})^\top\cdot | |||
=\ | (\vec{b}\otimes\vec{h})) | ||
=(\vec{a}\cdot\vec{b})(\vec{g}\cdot\vec{h})</math> | |||
:<math>\mathbf{A}:\mathbf{B} | |||
:=\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{B})</math> | |||
Eigenschaften: | |||
=(\vec{a}\cdot\ | :<math> | ||
\mathbf{A}:\mathbf{B} | |||
</math> | =\mathbf{B}:\mathbf{A} | ||
:<math> | =\mathbf{A}^\top :\mathbf{B}^\top | ||
=\mathbf{B}^\top :\mathbf{A}^\top | |||
:<math> | |||
= | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\mathbf{A}^\top :\mathbf{B} | |||
=\mathbf{A}:\mathbf{B}^\top | |||
:<math> | |||
: | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\ | :<math>\mathbf{A}:(\mathbf{B\cdot C}) | ||
\mathbf{ | =(\mathbf{B}^\top\cdot\mathbf{A}):\mathbf{C} | ||
=(\mathbf{A\cdot C}^\top):\mathbf{B}</math> | |||
:<math>(\mathbf{A\cdot B}):\mathbf{C} | |||
=\mathbf{B}:(\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{C}) | |||
\mathbf{ | =\mathbf{A}:(\mathbf{C\cdot B}^\top)</math> | ||
\mathbf{ | :<math>(\vec u\otimes\vec v):\mathbf A=\vec{u}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v}</math> | ||
= | |||
==== Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor ==== | |||
= | Abbildung <math>\mathbb{V}\times\mathcal{L}\to\mathcal{L}</math> oder <math>\mathcal{L}\times\mathbb{V}\to\mathcal{L}</math> | ||
Dyaden: | |||
:<math> | |||
\vec{a}\times(\vec{b}\otimes\vec{g}) | |||
=(\vec{a}\times\vec{b})\otimes\vec{g} | |||
=\vec{a}\times\vec{b}\otimes\vec{g} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
(\vec{a}\otimes\vec{g})\times\vec{h} | |||
=\vec{a}\otimes(\vec{g}\times\vec{h}) | |||
=\vec{a}\otimes\vec{g}\times\vec{h} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
:<math> | \vec{a}\times\vec{b}\otimes\vec{g} | ||
[ | =-[(\vec{b}\otimes\vec{g})^\top\times\vec{a}]^\top | ||
: | </math> | ||
:<math> | |||
\vec{a}\otimes\vec{g}\times\vec{h} | |||
=-[\vec{h}\times(\vec{a}\otimes\vec{g})^\top]^\top | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
a_j\hat{e}_j\times(A_{kl}\hat{e}_k\otimes\hat{e}_l) | |||
( | |||
= | = | ||
A_ | a_j A_{kl}(\hat{e}_j\times\hat{e}_k)\otimes\hat{e}_l | ||
= | =\epsilon_{ijk}a_jA_{kl}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_l | ||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
\ | (A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)\times a_k\hat{e}_k | ||
= | = | ||
A_{ij}a_k\hat{e}_i\otimes(\hat{e}_j\times\hat{e}_k) | |||
=\epsilon_{jkl}A_{ij}a_k\hat{e}_i\otimes\hat{e}_l | |||
</math> | </math> | ||
Allgemeine Tensoren: | |||
:<math> | |||
(\ | :<math>(\vec{a}\times\mathbf{A})\cdot\vec{g} | ||
= | :=\vec{a}\times(\mathbf{A}\cdot\vec{g}) | ||
=\vec{a}\times(\vec{g}\cdot\mathbf{A}^\top) | |||
</math> | |||
\ | :<math>\vec{b}\cdot(\vec{a}\times\mathbf{A}) | ||
:=(\vec{b}\times\vec{a})\cdot\mathbf{A} | |||
</math> | |||
\ | |||
:<math>\vec{g}\cdot(\mathbf{A}\times\vec{a}) | |||
= (\mathbf{A}^\top\ | :=(\vec{g}\cdot\mathbf{A})\times\vec{a} | ||
=(\mathbf{A}^\top\cdot\vec{g})\times\vec{a} | |||
\mathbf{A}\ | </math> | ||
\\ | |||
:<math>(\mathbf{A}\times\vec{a})\cdot\vec{b} | |||
=\mathbf{A}\cdot(\vec{a}\times\vec b) | |||
</math> | |||
\ | :<math>\vec{a}\times\mathbf{A}= -\left(\mathbf{A}^\top\times\vec{a}\right)^\top</math> | ||
\mathbf{ | |||
\ | :<math>\mathbf{A}\times\vec{a} | ||
\mathbf{A}\ | =-\left(\vec{a}\times\mathbf{A}^\top\right)^\top</math> | ||
\ | |||
Symmetrische Tensoren: <math>\vec{a}\times\mathbf{A}^\mathrm{S} | |||
=-\left(\mathbf{A}^\mathrm{S}\times\vec{a}\right)^\top</math> | |||
= | |||
Insbesondere Kugeltensoren: <math>\vec{a}\times\mathbf{A}^\mathrm{K} | |||
= | =\mathbf{A}^\mathrm{K}\times\vec{a} | ||
(\ | =-(\vec{a}\times\mathbf{A}^\mathrm{K})^\top</math> | ||
\ | Schiefsymmetrische Tensoren: <math>\vec{a}\times\mathbf{A}^\mathrm{A} | ||
\ | =\left(\mathbf{A}^\mathrm{A}\times\vec{a}\right)^\top</math> | ||
[[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix]] mit dem [[#Einheitstensor]]: | |||
\ | |||
\\ | :<math>(\vec{a}\times\mathbf{1})\cdot\vec{g} | ||
=\vec{a}\cdot(\vec{g}\times\mathbf{1}) | |||
\\ | =\vec{a}\cdot(\mathbf{1}\times\vec{g}) | ||
=\vec{a}\times\vec{g} | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | Mehrfach: | ||
(\mathbf{A}\ | |||
:<math>(\vec a\times(\vec b\times\mathbf{A}))\cdot\vec g= | |||
\vec a\times(\vec b\times(\mathbf{A}\cdot\vec g)) | |||
=(\vec a\cdot\mathbf{A}\cdot\vec g)\vec b | |||
-(\vec a\cdot\vec b)\mathbf{A}\cdot\vec g | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\vec a\times(\vec b\times\mathbf{A})= | |||
\vec b\otimes\vec a\cdot\mathbf{A}-(\vec a\cdot\vec b)\mathbf{A} | |||
</math> | |||
Meistens ist aber: | |||
:<math>(\mathbf{A}\cdot\vec{a})\times\vec{g} | |||
\ne\mathbf{A}\cdot(\vec{a}\times\vec{g}) | |||
:<math> | =(\mathbf{A}\times\vec{a})\cdot\vec{g} | ||
</math> | |||
= | |||
:<math>\vec{a}\times(\vec{g}\cdot\mathbf{A}) | |||
\ne(\vec{a}\times\vec{g})\cdot\mathbf{A} | |||
:<math>\ | =\vec{a}\cdot(\vec{g}\times\mathbf{A}) | ||
</math> | |||
{{Siehe auch|#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix}} | |||
==== Kreuzprodukt von Tensoren ==== | |||
= | |||
= | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathcal{L}\to\mathbb{V}</math> | |||
</math> | |||
:<math>\mathbf{A\times B} | |||
:<math> | =\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\mathbf{A\cdot B}^\top) | ||
= | =-\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\mathbf{B\cdot A}^\top) | ||
=-\mathbf{B\times A}\in\mathbb{V} | |||
</math> | </math> | ||
mit | mit [[#Fundamentaltensor 3. Stufe]] <math>\stackrel{3}{\mathbf{E}}</math>. | ||
:<math>(\vec a\otimes\vec g)\times(\vec b\otimes\vec h) | |||
:<math>( | =(\vec g\cdot\vec h)\vec a\times\vec b</math> | ||
= | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
&A_{ik}(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_k)\times | |||
[B_{jl}(\hat{e}_j\otimes\hat{e}_l)] | |||
= A_{ik}B_{jk}(\hat{e}_i\times\hat{e}_j)=\ldots | |||
\\&\ldots= | |||
\begin{pmatrix} | |||
A_{21}B_{31}-A_{31}B_{21}+A_{22}B_{32}-A_{32}B_{22}+A_{23}B_{33}-A_{33}B_{23} | |||
\\ | |||
A_{31}B_{11}-A_{11}B_{31}+A_{32}B_{12}-A_{12}B_{32}+A_{33}B_{13}-A_{13}B_{33} | |||
\\ | |||
A_{11}B_{21}-A_{21}B_{11}+A_{12}B_{22}-A_{22}B_{12}+A_{13}B_{23}-A_{23}B_{13} | |||
\end{pmatrix} | |||
\end{align}</math> | |||
Zusammenhang mit [[#Dualer axialer Vektor]] und [[#Vektorinvariante]]: | |||
:<math> | :<math>\mathbf{A\times B} | ||
= | =-2\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A\cdot B}^\top}} | ||
\ | =\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A\cdot B}^\top) | ||
</math> | </math> | ||
Mit [[#Einheitstensor]]: | |||
:<math> | |||
= | :<math>\mathbf{1\times A} | ||
\ | =2\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | ||
=-\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | </math> | ||
Mehrfachprodukte: | |||
:<math>(\mathbf{A\cdot B})\times\mathbf C | |||
:<math> | =\mathbf{A}\times(\mathbf{C\cdot B}^\top) | ||
\ | |||
= | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\mathbf{A} | :<math>\mathbf{A}\times(\mathbf{B\cdot C}) | ||
=\mathbf{A} | =(\mathbf{A\cdot C}^\top)\times\mathbf{B} | ||
</math> | </math> | ||
Zusammenhang mit dem [[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math>\mathbf{A\times B}=\mathbf{A}\cdot\!\!\times(\mathbf{B}^\top)</math> | |||
:<math> | |||
</math> | ==== Skalarkreuzprodukt von Tensoren ==== | ||
Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathcal{L}\to\mathbb{V}</math> | |||
:<math>\ | |||
=\ | :<math>(\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot\!\!\times(\vec{h}\otimes\vec{u}) | ||
= -(\vec{u}\otimes\vec{h})\cdot\!\!\times(\vec{g}\otimes\vec{a}) | |||
:=(\vec{g}\cdot\vec{h})\vec{a}\times\vec{u} | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\begin{align} | |||
:<math>\ | &A_{ik}(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_k)\cdot\!\!\times | ||
[B_{lj}(\hat{e}_l\otimes\hat{e}_j)] | |||
= A_{ik}B_{kj}(\hat{e}_i\times\hat{e}_j)=\ldots | |||
= | \\&\ldots= | ||
\begin{pmatrix} | |||
A_{21}B_{13}-A_{31}B_{12}+A_{22}B_{23}-A_{32}B_{22}+A_{23}B_{33}-A_{33}B_{32} | |||
= | \\ | ||
A_{31}B_{11}-A_{11}B_{13}+A_{32}B_{21}-A_{12}B_{23}+A_{33}B_{31}-A_{13}B_{33} | |||
\\ | \\ | ||
A_{11}B_{12}-A_{21}B_{11}+A_{12}B_{22}-A_{22}B_{21}+A_{13}B_{32}-A_{23}B_{31} | |||
\end{pmatrix} | |||
\end{ | \end{align}</math> | ||
[[# | |||
:<math> | Das Skalarkreuzprodukt mit dem [[#Einheitstensor]] vertauscht das dyadische Produkt durch das Kreuzprodukt: | ||
:<math>\mathbf{1}\cdot\!\!\times(\vec{a}\otimes\vec{b}) | |||
= | =\vec{a}\times\vec{b}</math> | ||
Allgemein: | |||
: | |||
:<math>\mathbf{A}\cdot\!\!\times\mathbf{B} | |||
:<math>\mathbf{A} | =-(\mathbf{B}^\top)\cdot\!\!\times(\mathbf{A}^\top) | ||
= | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | |||
\mathbf{A}\cdot\!\!\times(\mathbf{B\cdot C}) | |||
=(\mathbf{A\cdot B})\cdot\!\!\times\mathbf{C} | |||
:<math> | |||
\mathbf{A} | |||
( | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
\ | (\mathbf{A\cdot B})\cdot\!\!\times\mathbf{C} | ||
=\ | =\mathbf{A}\cdot\!\!\times(\mathbf{B\cdot C}) | ||
\ | </math> | ||
Zusammenhang mit dem [[#Kreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math>\mathbf{S}\cdot\!\!\times\mathbf{T}=\mathbf{S\times(T^\top)}</math> | |||
Zusammenhang mit [[#Vektorinvariante]] und [[#Dualer axialer Vektor]]: | |||
:<math>\mathbf{A}\cdot\!\!\times\mathbf{B} | |||
=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{B}) | |||
=-2\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}\cdot\mathbf{B}}} | |||
:<math> | |||
=\ | |||
</math> | </math> | ||
==== Doppeltes Kreuzprodukt von Tensoren ==== | |||
Siehe auch [[#Äußeres Tensorprodukt]] # | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathcal{L}\to\mathcal{L}</math> | |||
\ | |||
\ | |||
:<math>(\vec{a}\otimes\vec{g})\times\!\!\times(\vec{h}\otimes\vec{b}) | |||
=\ | :=(\vec{g}\times\vec{h})\otimes(\vec{a}\times\vec{b}) | ||
=(\vec{g}\otimes\vec{a})\#(\vec{h}\otimes\vec{b}) | |||
</math> | </math> | ||
:<math>A_{ij}(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)\times\!\!\times | |||
[B_{kl}(\hat{e}_k\otimes\hat{e}_l)] | |||
:= A_{ij}B_{kl}(\hat{e}_j\times\hat{e}_k)\otimes(\hat{e}_i\times\hat{e}_l) | |||
:<math> | |||
= | |||
A_{ | |||
</math> | </math> | ||
=== | :<math>\mathbf{A}\times\!\!\times\mathbf{B}=\mathbf{A}^\top\#\mathbf{B}</math> | ||
{{ | |||
==== Äußeres Tensorprodukt ==== | |||
{{Siehe auch|Äußeres Tensorprodukt}} | |||
: | Abbildung <math>\mathcal{L}\times\mathcal{L}\to\mathcal{L}</math> | ||
:<math>(\vec{a}\otimes\vec{g})\#(\vec{b}\otimes\vec{h}) | |||
:=(\vec{a}\times\vec{b})\otimes(\vec{g}\times\vec{h}) | |||
=(\vec{g}\otimes\vec{a})\times\!\!\times(\vec{b}\otimes\vec{h}) | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\begin{align} | :<math>\begin{align} | ||
\ | &(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)\# | ||
(B_{kl}\hat{e}_k\otimes\hat{e}_l) | |||
= | |||
\ | A_{ij}B_{kl}(\hat{e}_i\times\hat{e}_k)\otimes(\hat{e}_j\times\hat{e}_l) | ||
\\ | \\& | ||
\ | \qquad\qquad\qquad\qquad\qquad\quad\;\;\;= | ||
\epsilon_{ikm}\epsilon_{jln}A_{ij}B_{kl}\hat{e}_m\otimes\hat{e}_n | |||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
Mit der Formel für das Produkt zweier [[#Permutationssymbol]]e: | |||
:<math>\begin{align} | |||
:<math>\ | \mathbf{A}\#\mathbf{B} | ||
\ | =& | ||
\ | [\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathrm{Sp}(\mathbf{B})-\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B})]\mathbf{1} | ||
\\& | |||
+ [\mathbf{A\cdot B}+\mathbf{B\cdot A} | |||
-\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{B}-\mathrm{Sp}(\mathbf{B})\mathbf{A}]^\top | |||
\end{align}</math> | |||
Grundlegende Eigenschaften: | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}\#\mathbf{B}=\mathbf{B}\#\mathbf{A} | |||
=(\mathbf{A}^\top\#\mathbf{B}^\top)^\top | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
(\mathbf{A+B})\#\mathbf{C}=\mathbf{A}\#\mathbf{C}+\mathbf{B}\#\mathbf{C} | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
\mathbf{A}\#(\mathbf{B+C})=\mathbf{A}\#\mathbf{B}+\mathbf{A}\#\mathbf{C} | |||
</math> | </math> | ||
[[Kreuzprodukt]] und [[#Kofaktor]]: | |||
: | |||
:<math> | |||
(\mathbf{A}\#\mathbf{B})\cdot(\vec{u}\times\vec{v}) | |||
= | |||
:<math>\mathbf{A} | (\mathbf{A}\cdot\vec{u})\times(\mathbf{B}\cdot\vec{v}) | ||
=\ | -(\mathbf{A}\cdot\vec{v})\times(\mathbf{B}\cdot\vec{u}) | ||
</math> | |||
:<math> | |||
\frac{1}{2}(\mathbf{A}\#\mathbf{A})\cdot(\vec{u}\times\vec{v}) | |||
=\mathrm{cof}(\mathbf A)\cdot(\vec{u}\times\vec{v}) | |||
=(\mathbf{A}\cdot\vec{u})\times(\mathbf{A}\cdot\vec{v}) | |||
</math> | </math> | ||
[[#Hauptinvarianten]]: | |||
:<math>\mathbf{A}= \ | :<math> | ||
\frac{1}{2}(\mathbf{A\#1}):\mathbf{1}=\mathrm{Sp}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\frac{1}{2}(\mathbf{A\# A}):\mathbf{1}=\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\frac{1}{6}(\mathbf{A\# A}):\mathbf{A}=\det(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
Weitere Eigenschaften: | |||
:<math> | |||
\mathbf{1}\#\mathbf{1}= 2\,\mathbf{1} | |||
</math> | |||
:<math> | :<math> | ||
\mathbf{A} | \mathbf{A}\#\mathbf{1}= | ||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{1}-\mathbf{A}^\top | |||
\ | |||
\ | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
\mathbf{A} | (\mathbf{A}\#\mathbf{B}):\mathbf{C} | ||
= | |||
(\mathbf{B}\#\mathbf{C}):\mathbf{A} | |||
= | = | ||
\ | (\mathbf{C}\#\mathbf{A}):\mathbf{B} | ||
(\mathbf{A} | </math> | ||
-\ | :<math> | ||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A}\#\mathbf{B})= | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathrm{Sp}(\mathbf{B}) | |||
-\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
(\mathbf{A}\#\mathbf{B})\cdot(\mathbf{C}\#\mathbf{D}) | |||
= | |||
(\mathbf{A\cdot C})\#(\mathbf{B\cdot D}) | |||
+(\mathbf{A\cdot D})\#(\mathbf{B\cdot C}) | |||
</math> | </math> | ||
Aber meistens: | |||
:<math> | |||
:<math>(\mathbf{A} | (\mathbf{A}\#\mathbf{B})\#\mathbf{C}\ne\mathbf{A}\#(\mathbf{B}\#\mathbf{C}) | ||
</math> | |||
{{Siehe auch|#Hauptinvarianten|#Kofaktor}} | |||
. | |||
=== Produkte von Tensoren, Dyaden und Vektoren === | |||
= | |||
:<math> | :<math>\mathbf{A}\cdot(\vec{a}\otimes\vec{g}) | ||
= | =(\mathbf{A}\cdot\vec{a})\otimes\vec{g}</math> | ||
</math> | |||
= | :<math>\vec{a}\otimes(\mathbf{A}\cdot\vec{g}) | ||
{{ | =(\vec{a}\otimes\vec{g})\cdot\mathbf{A}^\top</math> | ||
:<math>\vec{a}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{g} | |||
:<math>\mathbf{A}\cdot\ | =\mathbf{A}:(\vec{a}\otimes\vec{g}) | ||
=\ | </math> | ||
Spatprodukt und [[#Determinante]] eines Tensors: | |||
:<math>(\mathbf{A}\cdot\vec{a})\cdot [(\mathbf{A}\cdot\vec{b})\times(\mathbf{A}\cdot\vec{c})] | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\;\vec{a}\cdot(\vec{b}\times\vec{c}) | |||
</math> | |||
Kreuzprodukt und [[#Kofaktor]]: | |||
: | |||
:<math> | |||
:<math>\ | (\mathbf{A}\cdot\vec{a})\times(\mathbf{A}\cdot\vec{b}) | ||
=\ | =\mathrm{cof}(\mathbf{A})\cdot(\vec{a}\times\vec{b}) | ||
</math> | |||
:<math> | :<math> | ||
\mathbf{A}^\top\cdot [(\mathbf{A}\cdot\vec{a})\times(\mathbf{A}\cdot\vec{b})] | |||
=\ | =\mathrm{det}(\mathbf{A})\;\vec{a}\times\vec{b} | ||
</math> | </math> | ||
[[ | [[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix]], [[#Kreuzprodukt von Tensoren]], [[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]], [[#Dualer axialer Vektor]] und [[#Vektorinvariante]]: | ||
:<math>(\vec{u}\times\mathbf{1})\cdot\vec{v} | |||
=(\vec u\otimes\vec v)\times\mathbf1 | |||
=(\vec u\otimes\vec v)\cdot\!\!\times\mathbf1 | |||
=\stackrel{A}{\overrightarrow{(\vec{u}\times\vec{v})\times\mathbf1}} | |||
=\vec{\mathrm i}(\vec{u}\otimes\vec{v}) | |||
=\vec{u}\times\vec{v} | |||
</math> | |||
=== Tensorkomponenten === | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
:<math> | = | ||
\mathbf{A} | A_{ij}\,\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | ||
=\begin{pmatrix} | |||
A_{11}& A_{12}& A_{13}\\ | |||
A_{21}& A_{22}& A_{23}\\ | |||
A_{31}& A_{32}& A_{33} | |||
\end{pmatrix} | |||
\quad\rightarrow\; | |||
A_{ij}=\hat{e}_i\cdot\mathbf{A}\cdot\hat{e}_j | |||
</math> | |||
\begin{pmatrix} | |||
\ | |||
\end{pmatrix}\ | |||
\ | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
:<math>\ | = | ||
A^{ij}\,\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j | |||
\ | \quad\rightarrow\; | ||
A^{ij}=\vec{a}^i\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{g}^j | |||
\ | =(\vec{a}^i\otimes\vec{g}^j):\mathbf{A} | ||
</math> | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= | |||
A_{ij}\,\vec{a}^i\otimes\vec{g}^j | |||
\quad\rightarrow\; | |||
A_{ij}=\vec{a}_i\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{g}_j</math> | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= | |||
A_j^i\,\vec{a}_i\otimes\vec{g}^j | |||
\quad\rightarrow\; | |||
A_j^i =\vec{a}^i\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{g}_j</math> | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= | |||
A_i^j\,\vec{a}^i\otimes\vec{g}_j | |||
\quad\rightarrow\; | |||
A_i^j =\vec{a}_i\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{g}^j</math> | |||
==== | === Wechsel der Basis === | ||
:<math>\mathbf{A} | |||
:<math>\ | = A_{ij}\vec{a}^i\otimes\vec{a}^j | ||
\ | = A_{ij}^\ast\vec{b}^i\otimes\vec{b}^j | ||
\ | |||
</math> | </math> | ||
Die Komponenten <math>A_{ij}^\ast</math> ergeben sich durch Vor- und Nachmultiplikation mit dem [[#Einheitstensor]] <math>\mathbf{1}=\vec{b}^i\otimes\vec{b}_i</math>: | |||
\ | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{A}=\mathbf{1\cdot A\cdot 1}^\top | |||
:<math> | =& | ||
\mathbf{ | (\vec{b}^i\otimes\vec{b}_i)\cdot | ||
= | (A_{kl}\vec{a}^k\otimes\vec{a}^l)\cdot | ||
(\vec{b}_j\otimes\vec{b}^j) | |||
\\ | |||
</math> | =& | ||
(\vec{b}_i\cdot\vec{a}^k)A_{kl}(\vec{a}^l\cdot\vec{b}_j) | |||
\vec{b}^i\otimes\vec{b}^j | |||
=: A_{ij}^\ast\vec{b}^i\otimes\vec{b}^j | |||
\\ | |||
\rightarrow A_{ij}^\ast | |||
=& | |||
(\vec{b}_i\cdot\vec{a}^k)A_{kl}(\vec{a}^l\cdot\vec{b}_j) | |||
\end{align}</math> | |||
Allgemein: | |||
: | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
:<math>\ | = A_{ij}\vec{a}^i\otimes\vec{g}^j | ||
= A_{ij}^\ast\vec{b}^i\otimes\vec{h}^j | |||
</math> | </math> | ||
Basiswechsel mit <math>\mathbf1 | |||
=(\vec{b}_i\cdot\vec{a}^k)\vec{b}^i\otimes\vec{a}_k | |||
=(\vec{h}_j\cdot\vec{g}^l)\vec{h}^j\otimes\vec{g}_l | |||
</math>: | |||
:<math>\begin{align} | |||
:<math>\begin{ | \mathbf{A}=\mathbf{1\cdot A\cdot 1}^\top | ||
=& | |||
(\vec{b}_i\cdot\vec{a}^k)(\vec{b}^i\otimes\vec{a}_k)\cdot | |||
\vec{ | A_{mn}(\vec{a}^m\otimes\vec{g}^n)\cdot | ||
(\vec{h}_j\cdot\vec{g}^l)(\vec{g}_l\otimes\vec{h}^j) | |||
\\=& | |||
(\vec{b}_i\cdot\vec{a}^k)A_{kl}(\vec{h}_j\cdot\vec{g}^l) | |||
(\vec{b}^i\otimes\vec{h}^j) | |||
= | |||
A_{ij}^\ast\vec{b}^i\otimes\vec{h}^j | |||
\\ | \\ | ||
\ | \rightarrow A_{ij}^\ast | ||
& | =& | ||
\vec{ | (\vec{b}_i\cdot\vec{a}^k)A_{kl}(\vec{g}^l\cdot\vec{h}_j) | ||
\\ | \end{align}</math> | ||
=== Bilinearform und Identität von Tensoren === | |||
\vec{v} | {{Siehe auch|Bilinearform}} | ||
Definition für einen Tensor '''A''': | |||
:<math>\langle\vec{u},\vec{v}\rangle | |||
:=\vec{u}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v} | |||
=\mathbf A:(\vec u\otimes\vec v) | |||
</math> | </math> | ||
Zwei Tensoren '''A''' und '''B''' sind identisch, wenn | |||
:<math> | |||
\vec{u}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v} | |||
=\vec{u}\cdot\mathbf{B}\cdot\vec{v} | |||
\quad\forall\;\vec{u},\vec{v}\in\mathbb{V}</math> | |||
=== Kofaktor === | |||
{{Siehe auch|Minor (Mathematik)}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathrm{cof}(\mathbf{A}) | |||
:<math>\mathbf{ | :=\mathbf{A^\top\cdot A^\top}-\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\mathbf{A}^\top | ||
=\mathbf{ | +\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{1}</math> | ||
</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
: | |||
Wenn λ<sub>1,2,3</sub> die [[#Eigenwerte]] des Tensors '''A''' sind, dann hat cof('''A''') die Eigenwerte λ<sub>1</sub>λ<sub>2</sub>, λ<sub>2</sub>λ<sub>3</sub>, λ<sub>3</sub>λ<sub>1</sub>. | |||
[[#Hauptinvarianten]]: | |||
: | |||
:<math> | |||
:<math>\ | \mathrm{I}_1(\mathrm{cof}(\mathbf{A})) | ||
\ | =\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | ||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_2(\mathrm{cof}(\mathbf{A})) | |||
\ | =\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\mathrm{det}(\mathbf{A}) | ||
\\ | </math> | ||
\ | :<math> | ||
\\ | \mathrm{det}(\mathrm{cof}(\mathbf{A})) | ||
=\mathrm{det}^2(\mathbf{A}) | |||
\ | |||
</math> | </math> | ||
[[#Betrag]]: | |||
:<math>\|\mathrm{cof}(\mathbf{A})\| | |||
=\sqrt{\mathrm{I}_2(\mathbf{A^\top\cdot A})} | |||
=\frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{\|\mathbf{A}\|^4-\|\mathbf{A^\top\cdot A}\|^2} | |||
:<math>\ | |||
\ | |||
=\ | |||
</math> | </math> | ||
Weitere Eigenschaften: | |||
: | |||
:<math>\mathrm{cof}(x\mathbf{A})=x^2\mathrm{cof}(\mathbf{A})</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})\ne 0 | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\det(\mathbf{A})\mathbf{A}^{\top-1} | |||
</math> | |||
:<math>\mathbf{A}^\top\cdot\mathrm{cof}(\mathbf{A}) | |||
:<math> | =\mathrm{cof}(\mathbf{A})\cdot\mathbf{A}^\top | ||
=\ | =\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathbf{1}</math> | ||
:<math>\mathrm{cof}(\mathbf{A\cdot B}) | |||
:<math> | =\mathrm{cof}(\mathbf{A})\cdot\mathrm{cof}(\mathbf{B}) | ||
=\ | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\mathrm{cof}(\mathbf{A}^\top)=\mathrm{cof}(\mathbf{A})^\top | |||
:<math>\ | |||
= | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\mathrm{cof}\left(\mathrm{cof}(\mathbf{A})\right) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathbf{A} | |||
\mathbf{ | |||
\mathbf{ | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\begin{align} | |||
&\mathrm{cof}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=\frac12(A_{kl}A_{mn}\epsilon_{kmi}\epsilon_{lnj})(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=\ | =\ldots | ||
\\ | |||
&\ldots=\begin{pmatrix} | |||
A_{22}A_{33}-A_{23}A_{32}& | |||
A_{23}A_{31}-A_{21}A_{33}& | |||
A_{21}A_{32}-A_{22}A_{31} | |||
\\ | \\ | ||
A_{32}A_{13}-A_{33}A_{12}& | |||
& | A_{33}A_{11}-A_{31}A_{13}& | ||
A_{31}A_{12}-A_{32}A_{11} | |||
\\ | \\ | ||
A_{12}A_{23}-A_{13}A_{22}& | |||
& | A_{13}A_{21}-A_{11}A_{23}& | ||
A_{11}A_{22}-A_{12}A_{21} | |||
\end{ | \end{pmatrix} | ||
\end{align}</math> | |||
Kofaktor und [[#Äußeres Tensorprodukt]]: | |||
:<math>\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\frac{1}{2}\mathbf{A}\#\mathbf{A}</math> | |||
:<math>\ | |||
:<math>\begin{align} | |||
:<math>\ | \mathrm{cof}(\mathbf{A+B}) | ||
\ | =&\frac12(\mathbf{A}\#\mathbf{A}+2\mathbf{A}\#\mathbf{B}+\mathbf{B}\#\mathbf{B}) | ||
=\mathbf{ | \\ | ||
=&\mathrm{cof}(\mathbf{A})+\mathrm{cof}(\mathbf{B}) | |||
+\mathbf{A}\#\mathbf{B} | |||
\ | \end{align}</math> | ||
\ | |||
</math> | Kreuzprodukt und Kofaktor: | ||
:<math> | |||
:<math> | |||
\ | (\mathbf{A}\cdot\vec{a})\times(\mathbf{A}\cdot\vec{b}) | ||
= | =\mathrm{cof}(\mathbf{A})\cdot(\vec{a}\times\vec{b}) | ||
\ | |||
\ | |||
</math> | </math> | ||
=== | === Adjunkte === | ||
{{ | {{Siehe auch|Adjunkte}} | ||
Definition | Definition: | ||
: | |||
:<math>\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
:<math>\ | :=\mathbf{A}^{2}-\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\mathbf{A}+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{1} | ||
: | =\mathrm{cof}(\mathbf{A})^\top | ||
\ | </math> | ||
\ | |||
[[#Hauptinvarianten]]: | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_1(\mathrm{adj}(\mathbf{A})) | |||
=\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_2(\mathrm{adj}(\mathbf{A})) | |||
=\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\mathrm{det}(\mathbf{A}) | |||
:<math>\ | </math> | ||
:<math> | |||
\mathrm{det}(\mathrm{adj}(\mathbf{A})) | |||
= | =\mathrm{det}^2(\mathbf{A}) | ||
:<math>\ | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\ | |||
[[#Betrag]]: | |||
=\sqrt{2}\sqrt{ | |||
:<math>\|\mathrm{adj}(\mathbf{A})\| | |||
=\sqrt{\mathrm{I}_2(\mathbf{A^\top\cdot A})} | |||
=\frac{\sqrt{2}}{2}\sqrt{\|\mathbf{A}\|^4-\|\mathbf{A^\top\cdot A}\|^2} | |||
</math> | </math> | ||
Weitere Eigenschaften: | |||
:<math>\mathrm{adj}(x\mathbf{A})=x^2\mathrm{adj}(\mathbf{A})</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})\ne 0 | |||
:<math>\ | |||
\quad\rightarrow\quad | \quad\rightarrow\quad | ||
\ | \mathrm{adj}(\mathbf{A})=\det(\mathbf{A})\mathbf{A}^{-1} | ||
</math> | </math> | ||
:<math>\mathbf{A}\cdot\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
=\mathrm{adj}(\mathbf{A})\cdot\mathbf{A} | |||
=\ | =\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathbf{1}</math> | ||
:<math>\ | :<math>\mathrm{adj}(\mathbf{A\cdot B}) | ||
=\mathrm{adj}(\mathbf{B})\cdot\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
\mathbf{A | |||
= | :<math>\mathrm{adj}(\mathbf{A}^\top) | ||
=\mathrm{adj}(\mathbf{A})^\top | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{adj}(\mathbf{A+B}) | |||
:<math>\begin{ | =&\frac12(\mathbf{A}\#\mathbf{A}+2\mathbf{A}\#\mathbf{B} | ||
\ | +\mathbf{B}\#\mathbf{B})^\top | ||
\ | |||
\\ | \\ | ||
=&\mathrm{adj}(\mathbf{A})+\mathrm{adj}(\mathbf B) | |||
+\mathbf{A}^\top\#\mathbf{B}^\top | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\mathrm{adj}\left(\mathrm{adj}(\mathbf{A})\right) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathbf{A} | |||
\ | |||
\ | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\begin{ | :<math>\begin{align} | ||
\ | &\mathrm{adj}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | ||
=\frac12(A_{kl}A_{mn}\epsilon_{kmj}\epsilon_{lni})(\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=\ldots | |||
\\ | \\ | ||
\ | &\ldots=\begin{pmatrix} | ||
A_{22}A_{33}-A_{23}A_{32}& | |||
A_{32}A_{13}-A_{33}A_{12}& | |||
A_{12}A_{23}-A_{13}A_{22} | |||
\\ | \\ | ||
A_{23}A_{31}-A_{21}A_{33}& | |||
A_{33}A_{11}-A_{31}A_{13}& | |||
A_{13}A_{21}-A_{11}A_{23} | |||
\\ | \\ | ||
A_{21}A_{32}-A_{22}A_{31}& | |||
A_{31}A_{12}-A_{32}A_{11}& | |||
A_{11}A_{22}-A_{12}A_{21} | |||
\end{pmatrix} | |||
\end{align}</math> | |||
\end{ | |||
=== | === Inverse === | ||
{{ | {{Siehe auch|Inverse Matrix}} | ||
Definition | Definition | ||
:<math>\mathbf{A}^{-1}:\quad | |||
\mathbf{A}^{-1}\cdot\mathbf{A}= | |||
\mathbf{A\cdot A}^{-1}= | |||
\mathbf{1}</math> | |||
Die Inverse ist nur definiert, wenn <math>|\mathbf A|=\mathrm{det}(\mathbf{A})=\mathrm{I}_3(\mathbf{A})\ne 0</math> | |||
= | |||
= | |||
Zusammenhang mit dem adjungierten Tensor <math>\mathrm{adj}(\mathbf{A})</math>: | |||
:<math>\mathbf{A}^{-1} | |||
=\frac{1}{\det(\mathbf{A})}\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
\ | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf A=&A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
\mathbf{A} | \\ | ||
= | \rightarrow \mathbf{A}^{-1}=&\frac{1}{|\mathbf A|} | ||
\ | \begin{pmatrix} | ||
A_{22}A_{33}-A_{23}A_{32}& | |||
\ | A_{32}A_{13}-A_{33}A_{12}& | ||
\ | A_{12}A_{23}-A_{13}A_{22} | ||
\ | \\ | ||
A_{23}A_{31}-A_{21}A_{33}& | |||
A_{33}A_{11}-A_{31}A_{13}& | |||
\end{pmatrix}\ | A_{13}A_{21}-A_{11}A_{23} | ||
(\ | \\ | ||
\end{ | A_{21}A_{32}-A_{22}A_{31}& | ||
A_{31}A_{12}-A_{32}A_{11}& | |||
A_{11}A_{22}-A_{12}A_{21} | |||
\end{pmatrix} | |||
\end{align}</math> | |||
Werden die Spalten von '''A''' mit Vektoren bezeichnet, also <math>\mathbf{A}=\begin{pmatrix}\vec{a}_1 &\vec{a}_2 &\vec{a}_3\end{pmatrix}</math>, dann gilt: | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}^{-1}=\begin{pmatrix}\vec{a}^1 &\vec{a}^2 &\vec{a}^3\end{pmatrix}^\top | |||
=\frac{1}{\mathrm{det}(\mathbf{A})} | |||
\begin{pmatrix} | |||
\vec{a}_2\times\vec{a}_3 | |||
& | |||
\vec{a}_3\times\vec{a}_1 | |||
& | |||
\vec{a}_1\times\vec{a}_2 | |||
\end{pmatrix}^\top | |||
</math> | </math> | ||
[[Satz von Cayley-Hamilton]]: | |||
:<math> | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}^{-1} | |||
= | = | ||
\ | \frac{1}{\mathrm{I}_3(\mathbf{A})} | ||
(\mathbf{A}^{2} | |||
-\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\mathbf{A} | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{1}) | |||
\ | |||
(\ | |||
</math> | </math> | ||
worin <math>\mathrm{I}_{1,2,3}</math> die drei [[#Hauptinvarianten]] sind. | |||
Inverse des transponierten Tensors: | |||
:<math>(\mathbf{A}^\top)^{-1}=(\mathbf{A}^{-1})^\top | |||
:<math>\mathbf{ | =\mathbf{A}^{\top -1}=\mathbf{A}^{-\top}</math> | ||
= | |||
Inverse eines Tensorprodukts: | |||
: | |||
:<math>(\mathbf{A\cdot B})^{-1} | |||
:<math>\mathbf{ | =\mathbf{B}^{-1}\cdot\mathbf{A}^{-1}</math> | ||
:<math>(x\mathbf{A})^{-1}=\frac1x\mathbf{A}^{-1}</math> | |||
:<math> | |||
\mathbf{ | |||
\mathbf{ | |||
[[#Äußeres Tensorprodukt]] und Inverse einer Summe: | |||
:<math>(\mathbf{A+B})^{-1} | |||
:<math>\mathbf{A} | =\frac{1}{\det(\mathbf{A+B})}\left( | ||
\mathrm{adj}(\mathbf{A})+\mathrm{adj}(\mathbf{B}) | |||
+(\mathbf{A}\#\mathbf{B})^\top\right) | |||
</math> | </math> | ||
Invertierungsformeln: | |||
: | |||
:<math>(a\mathbf{1}+\vec{b}\otimes\vec{c})^{-1} | |||
=\frac{1}{a}\left(\mathbf{1}-\frac{1}{a+\vec{b}\cdot\vec{c}} | |||
\vec{b}\otimes\vec{c}\right)</math> | |||
:<math>\mathbf{ | |||
=\ | |||
a | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
&(a\mathbf{1}+\vec{b}\otimes\vec{c}+\vec{d}\otimes\vec{e})^{-1} | |||
= | |||
\frac{1}{a D}\left(D\mathbf{1} | |||
+\vec{b}\otimes(q\vec{c}+ r\vec{e}) | |||
+\vec{d}\otimes(s\vec{c}+ t\vec{e}) | |||
\right) | |||
\\& | |||
\qquad q=a+\vec{d}\cdot\vec{e},\quad | |||
r=-\vec{c}\cdot\vec{d},\quad | |||
s=-\vec{b}\cdot\vec{e},\quad | |||
t=a+\vec{b}\cdot\vec{c} | |||
\\& | |||
\qquad D=rs-qt | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>(\vec a_i\otimes\vec g_i)^{-1}=\vec g^i\otimes\vec a^i</math> | |||
=== | == Eigensystem == | ||
{{Siehe auch|Eigenwertproblem}} | |||
=== | === Eigenwertproblem === | ||
:<math>\mathbf{A}\cdot\hat{v} | |||
=\lambda\hat{v}</math> | |||
:<math> | |||
\\ | |||
= | |||
\ | |||
</math> | |||
mit Eigenwert <math>\lambda</math> und Eigenvektor <math>\hat{v}</math>. Die Eigenvektoren werden auf die Länge eins normiert. | |||
Jeder Tensor hat drei Eigenwerte und drei dazugehörige Eigenvektoren. Mindestens ein Eigenwert und Eigenvektor sind reell. Die beiden anderen Eigenwerte und -vektoren können reell oder komplex sein. | |||
=== Eigenwerte === | |||
{{Siehe auch|Charakteristisches Polynom}} | |||
''Charakteristische Gleichung'' | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A}-\lambda_i\mathbf{1}) | |||
:<math>\mathbf{A}^{\mathrm{ | =-\lambda_i^{3}+\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\lambda_i^{2} | ||
-\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\lambda_i +\mathrm{I}_3(\mathbf{A}) | |||
=0</math> | =0</math> | ||
Lösung siehe [[Cardanische Formeln]]. Die Koeffizienten sind die '' [[#Hauptinvarianten]] '': | |||
:<math>\mathrm{I}_1(\mathbf{A}): | |||
:<math>\ | =\mathrm{Sp}(\mathbf{A}) | ||
=\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3</math> | |||
\ | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A}): | |||
\ | =\frac{1}{2} [\mathrm{I}_1(\mathbf{A})^{2}-\mathrm{I}_1(\mathbf{A}^{2})] | ||
=\lambda_1\lambda_2+\lambda_2\lambda_3+\lambda_3\lambda_1 | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_3(\mathbf{A}): | |||
\mathbf{ | =\mathrm{det}(\mathbf{A}) | ||
=\lambda_1\lambda_2\lambda_3</math> | |||
(\mathbf{ | |||
\\ | === Eigenvektoren === | ||
Eigenvektoren <math>\vec v</math> sind nur bis auf einen Faktor ≠ 0 bestimmt. Der [[Nullvektor]] ist ''kein'' Eigenvektor. | |||
Bestimmungsgleichung: <math>(\mathbf{A}-\lambda\mathbf{1})\cdot\vec v=\vec0</math> | |||
\ | |||
Tensor <math>\mathbf{A}=A_{ij}\hat e_i\otimes\hat e_j</math>: | |||
=\ | |||
\vec | |||
\cdot | |||
:<math> | |||
\begin{pmatrix} | |||
:< | A_{11}-\lambda&A_{12}&A_{13}\\ | ||
A_{21}&A_{22}-\lambda&A_{23}\\ | |||
A_{31}&A_{32}&A_{33}-\lambda | |||
\ | \end{pmatrix} | ||
\cdot\begin{pmatrix}v_1\\v_2\\v_3\end{pmatrix} | |||
=\begin{pmatrix}0\\0\\0\end{pmatrix} | |||
\ | </math> | ||
- | |||
\\ | |||
\ | |||
\end{ | |||
Bestimmung mit gegebenem/angenommenem <math>v_1</math>: | |||
:<math> | |||
\begin{pmatrix} | |||
A_{12}&A_{13}\\ | |||
A_{22}-\lambda&A_{23}\\ | |||
A_{32}&A_{33}-\lambda | |||
\end{pmatrix} | |||
\cdot\begin{pmatrix}v_2\\v_3\end{pmatrix} | |||
=v_1\begin{pmatrix}\lambda-A_{11}\\-A_{21}\\-A_{31}\end{pmatrix} | |||
</math> | |||
\end{ | |||
[[Geometrische Vielfachheit]] 1: | |||
: | |||
:<math> | |||
v_2=v_1\frac{(\lambda-A_{33})A_{21}+A_{23}A_{31}} | |||
:<math> | {(A_{22}-\lambda)(A_{33}-\lambda)-A_{23}A_{32}} | ||
\frac{ | |||
\ | |||
</math> | </math> | ||
:<math> | :<math> | ||
v_3=v_1\frac{(\lambda-A_{22})A_{31}+A_{32}A_{21}} | |||
{(A_{22}-\lambda)(A_{33}-\lambda)-A_{23}A_{32}} | |||
- | |||
+ | |||
- | |||
</math> | </math> | ||
[[Geometrische Vielfachheit]] 2: | |||
:<math>\ | :<math> | ||
\begin{pmatrix}A_{13}\\A_{23}\\A_{33}-\lambda\end{pmatrix}v_3 | |||
= | |||
-v_1\begin{pmatrix}A_{11}-\lambda\\A_{21}\\A_{31}\end{pmatrix} | |||
-v_2\begin{pmatrix}A_{12}\\A_{22}-\lambda\\A_{32}\end{pmatrix} | |||
= | |||
- | |||
</math> | </math> | ||
Die Formeln bleiben richtig, wenn die Indizes {1,2,3} [[Zyklische Permutation|zyklisch vertauscht]] werden. | |||
Symmetrischen Tensoren: Für das Betragsquadrat der Komponenten <math>v_{ij}</math> der auf Betrag 1 normierten Eigenvektoren <math>\vec v_i</math> des ([[Komplexe Zahl|komplexen]]) Tensors <math>A\in\mathbb{C}^{n \times n}</math> gilt mit dessen Eigenwerten <math>\lambda_i</math> und den Eigenwerten <math>\mu_{jk}</math> der [[Hauptuntermatrix|Hauptuntermatrizen]] von <math>A</math>:<ref>{{Internetquelle |autor=P. B. Denton, S. J. Parke, T. Tao, X. Zhang |url=https://arxiv.org/abs/1908.03795 |titel=Eigenvectors from Eigenvalues |seiten=1–3 |datum=2019-08-10 |format=PDF |sprache=en |abruf=2019-11-29}}</ref> | |||
:<math> | |||
|v_{ij}|^2\prod_{k=1;k\ne i}^n\big(\lambda_i-\lambda_k\big) | |||
=\ | =\prod_{k=1}^{n-1}\big(\lambda_i-\mu_{jk}\big) | ||
</math> | </math> | ||
=== Eigensystem symmetrischer Tensoren === | |||
Sei <math>\mathbf{A}=\mathbf{A}^\top</math> ''symmetrisch''. | |||
Symmetrische Tensoren haben reelle Eigenwerte und paarweise zueinander senkrechte oder orthogonalisierbare Eigenvektoren, die also eine [[Orthonormalbasis]] aufbauen. Die Eigenvektoren werden so nummeriert, dass sie ein Rechtssystem bilden. | |||
Hauptachsentransformation mit Eigenwerten <math>\lambda_i</math> und Eigenvektoren <math>\hat{a}_i</math> des symmetrischen Tensors '''A''': | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
:<math> | \mathbf{A} | ||
\ | =& | ||
\sum_{i=1}^3\lambda_i\hat{a}_i\otimes\hat{a}_i | |||
= | =\left(\hat{a}_i\otimes\hat{e}_i\right)\cdot | ||
\left(\sum_{j=1}^3\lambda_j | |||
= | \hat{e}_j\otimes\hat{e}_j\right)\cdot | ||
\left(\hat{e}_k\otimes\hat{a}_k\right) | |||
=\left(\ | |||
\ | |||
\ | |||
\\ | \\ | ||
=& | =& | ||
\\ | \begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix} | ||
\cdot\begin{pmatrix} | |||
\lambda_1& 0& 0\\ | |||
0&\lambda_2& 0\\ | |||
0& 0&\lambda_3 | |||
\end{pmatrix}\cdot | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix}^\top | |||
\end{align}</math> | \end{align}</math> | ||
bzw. | |||
:<math>\begin{pmatrix} | |||
:<math> | \hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3 | ||
\ | \end{pmatrix}^\top | ||
\cdot\mathbf{A} | |||
\cdot\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix} | |||
=\begin{pmatrix}\lambda_1& 0& 0\\0&\lambda_2& 0\\0& 0&\lambda_3\end{pmatrix} | |||
=\ | |||
</math> | </math> | ||
=== Eigensystem schiefsymmetrischer Tensoren === | |||
Sei <math>\mathbf{A}= -\mathbf{A}^\top</math> ''schiefsymmetrisch''. | |||
\mathbf{A} | |||
</math> | |||
[[# | Schiefsymmetrische Tensoren haben einen reellen und zwei konjugiert komplexe, rein imaginäre Eigenwerte. Der reelle Eigenwert von '''A''' ist null zu dem ein Eigenvektor gehört, der proportional zur reellen '' [[#Vektorinvariante]] '' <math>\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})</math> ist. Siehe auch [[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix]]. | ||
</math> | |||
== Tensoren | === Eigensystem allgemeiner auch unsymmetrischer Tensoren === | ||
Sei <math>a,b,c\in\R</math> und <math>\vec{a}_1,\vec{a}_2,\vec{a}_3\in\R^3</math> eine Basis und <math>\vec{a}^1,\vec{a}^2,\vec{a}^3</math> die dazu duale Basis. | |||
==== Drei reelle Eigenwerte ==== | |||
Der Tensor | |||
:<math>\mathbf{T} | |||
:<math>\mathbf{ | =a\,\vec{a}_1\otimes\vec{a}^1 | ||
\ | +b\,\vec{a}_2\otimes\vec{a}^2 | ||
+c\,\vec{a}_3\otimes\vec{a}^3</math> | |||
\ | hat die Eigenwerte | ||
:<math>\lambda_1=a,\; | |||
:<math>\ | \lambda_2=b,\; | ||
= | \lambda_3=c | ||
</math> | |||
und Eigenvektoren | |||
:<math>\vec{v}_1=\vec{a}_1,\; | |||
:<math>\ | \vec{v}_2=\vec{a}_2,\; | ||
\vec{v}_3=\vec{a}_3 | |||
</math> | </math> | ||
Der [[#Transposition|#transponierte]] Tensor hat dieselben Eigenwerte zu den dualen Eigenvektoren | |||
Transposition | |||
:<math>\vec{v}_1=\vec{a}^1,\; | |||
\vec{v}_2=\vec{a}^2,\; | |||
:<math> | \vec{v}_3=\vec{a}^3 | ||
</math> | </math> | ||
==== Ein reeller und zwei konjugiert komplexe Eigenwerte ==== | |||
Der Tensor | |||
:<math> | |||
:<math> | \mathbf{T} | ||
=c\,\vec{a}_1\otimes\vec{a}^1 | |||
+a(\vec{a}_2\otimes\vec{a}^2+\vec{a}_3\otimes\vec{a}^3) | |||
+b(\vec{a}_2\otimes\vec{a}^3-\vec{a}_3\otimes\vec{a}^2) | |||
</math> | </math> | ||
:<math>\ | |||
=\ | hat die Eigenwerte | ||
{} | |||
:<math>\lambda_1=c,\; | |||
\lambda_2=a+\mathrm{i}\,b,\; | |||
\lambda_3=a-\mathrm{i}\,b</math> | |||
und Eigenvektoren | |||
:<math>\vec{v}_1=\vec{a}_1,\; | |||
\vec{v}_2=\vec{a}_2+\mathrm{i}\,\vec{a}_3,\; | |||
\vec{v}_3=\vec{a}_2-\mathrm{i}\,\vec{a}_3 | |||
</math> | </math> | ||
Der [[#Transposition|#transponierte]] Tensor hat dieselben Eigenwerte zu den Eigenvektoren | |||
:<math>\vec{v}_1=\vec{a}^1,\; | |||
:<math>\ | \vec{v}_2=\vec{a}^2-\mathrm{i}\,\vec{a}^3,\; | ||
\vec{v}_3=\vec{a}^2+\mathrm{i}\,\vec{a}^3 | |||
</math> | </math> | ||
=== | == Invarianten == | ||
=== Eigenwerte des Tensors === | |||
Die [[#Eigenwerte]] <math>\lambda_1,\lambda_2,\lambda_3</math> sind Invarianten. | |||
\ | |||
=== Hauptinvarianten === | |||
{{Siehe auch|Hauptinvariante}} | |||
{| | |||
|- | |||
| [[#Spur]]: || I<sub>1</sub>('''A'''), Sp('''A''') | |||
|- | |||
| [[#Zweite Hauptinvariante]]: || I<sub>2</sub>('''A''') | |||
|- | |||
| [[#Determinante]]: || I<sub>3</sub>('''A'''), det('''A'''), │'''A'''│ | |||
|} | |||
==== Charakteristisches Polynom ==== | |||
{{Siehe auch|Charakteristisches Polynom}} | |||
Die Hauptinvarianten des Tensors '''A''' sind die Koeffizienten seines charakteristischen Polynoms: | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A}-x\mathbf{1}) | |||
:<math>\ | =-x^{3}+\mathrm{Sp}(\mathbf{A})x^{2}-\mathrm{I}_2(\mathbf{A})x | ||
\ | +\mathrm{det}(\mathbf{A}) | ||
</math> | |||
Spezialfall: | |||
\ | :<math>\mathrm{det}(\vec{b}\otimes\vec{c}+a\mathbf{1}) | ||
= a^2(a+\vec{b}\cdot\vec{c})</math> | |||
[[Satz von Cayley-Hamilton]]: | |||
:<math>-\mathbf{A}^{3} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l ) | +\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{A}^{2} | ||
-\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{A} | |||
+\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathbf{1} | |||
=\mathbf{0}</math> | |||
==== Spur ==== | |||
{{Siehe auch|Spur (Mathematik)}} | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\to\R</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A}) | |||
= | |||
\mathrm{I}_1(\mathbf{A}) | |||
= | |||
\frac{1}{2}(\mathbf{A}\#\mathbf{1}):\mathbf{1} | |||
= | |||
\lambda_1+\lambda_2+\lambda_3 | |||
</math> | |||
mit [[#Eigenwerte]]n λ<sub>1,2,3</sub> von '''A'''. | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\vec{a}\otimes\vec{g}) | |||
=\mathrm{Sp}(\vec{g}\otimes\vec{a}) | |||
:=\vec{a}\cdot\vec{g}</math> | |||
Linearität: <math>x,y\in\R\rightarrow\quad | |||
\mathrm{Sp}(x\mathbf{A}+y\mathbf{B}) | |||
=x\mathrm{Sp}(\mathbf{A})+y\mathrm{Sp}(\mathbf{B})</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A})=\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\top)</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B})=\mathrm{Sp}(\mathbf{B\cdot A})</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A^\top\cdot B}) | |||
=\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B^\top})</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B\cdot C}) | |||
=\mathrm{Sp}(\mathbf{B\cdot C\cdot A}) | |||
=\mathrm{Sp}(\mathbf{C\cdot A\cdot B}) | |||
</math> | |||
In Komponenten: | |||
:<math>\mathrm{Sp}\left( | |||
A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\right) | |||
=A_{ii}=A_{11}+A_{22}+A_{33}</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}\left(A^{ij}\vec{a}_i\otimes\vec{b}_j\right) | |||
=A^{ij}\vec{a}_i\cdot\vec{b}_j</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}\left(A_j^i\vec{a}_i\otimes\vec{a}^j\right) | |||
=\mathrm{Sp}\left(A_i^j\vec{a}^i\otimes\vec{a}_j\right)=A_i^i</math> | |||
==== Zweite Hauptinvariante ==== | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\to\R</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | |||
:= | |||
\frac{1}{2} [\mathrm{Sp}(\mathbf{A})^{2}- | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^{2})] | |||
=\frac{1}{2}(\mathbf{A}\#\mathbf{A}):\mathbf{1} | |||
=\lambda_1\lambda_2+\lambda_2\lambda_3+\lambda_3\lambda_1 | |||
</math> | |||
mit [[#Eigenwerte]]n λ<sub>1,2,3</sub> von '''A'''. | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A})=\mathrm{Sp(cof}(\mathbf{A})) | |||
=\mathrm{Sp(adj}(\mathbf{A}))</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(x\mathbf A)=x^2\mathrm{I}_2(\mathbf A)</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf A^\top)=\mathrm{I}_2(\mathbf A)</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf A\cdot\mathbf B) | |||
=\mathrm{I}_2(\mathbf B\cdot\mathbf A)</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf A\cdot\mathbf B\cdot\mathbf C) | |||
=\mathrm{I}_2(\mathbf B\cdot\mathbf C\cdot\mathbf A) | |||
=\mathrm{I}_2(\mathbf C\cdot\mathbf A\cdot\mathbf B) | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf A+\mathbf B) | |||
=\mathrm{I}_2(\mathbf A)+\mathrm{I}_2(\mathbf B) | |||
+\mathrm{Sp}(\mathbf A)\mathrm{Sp}(\mathbf B) | |||
-\mathrm{Sp}(\mathbf A\cdot\mathbf B) | |||
</math> | |||
In Komponenten: | |||
:<math>\operatorname{I}_2(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=A_{11}A_{22}+A_{11}A_{33}+A_{22}A_{33}-A_{12}A_{21}-A_{13}A_{31}-A_{23}A_{32} | |||
</math> | |||
:<math>\operatorname{I}_2(A^{ij}\vec{a}_i\otimes\vec{b}_j) | |||
=\frac{1}{2}A^{ij}A^{kl} [(\vec{a}_i\cdot\vec{b}_j)(\vec{a}_k\cdot\vec{b}_l) | |||
-(\vec{a}_i\cdot\vec{b}_l)(\vec{a}_k\cdot\vec{b}_j)] | |||
</math> | |||
:<math>\operatorname{I}_2\left(A_j^i\vec{a}_i\otimes\vec{a}^j\right) | |||
=\frac{1}{2}(A_i^iA_j^j-A_j^iA_i^j) | |||
</math> | |||
==== Determinante ==== | |||
{{Siehe auch|Determinante}} | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\to\R</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_3(\mathbf{A}) | |||
:=\mathrm{det}(\mathbf{A}) | |||
=\frac{1}{6}(\mathbf{A}\#\mathbf{A}):\mathbf{A} | |||
=\lambda_1\lambda_2\lambda_3 | |||
</math> | |||
mit [[#Eigenwerte]]n λ<sub>1,2,3</sub> von '''A'''. | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A}^\top)=\mathrm{det}(\mathbf{A})</math> | |||
Determinantenproduktsatz: | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A\cdot B}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{B\cdot A}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathrm{det}(\mathbf{B}) | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A\cdot B\cdot C}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{B\cdot C\cdot A}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{C\cdot A\cdot B}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathrm{det}(\mathbf{B})\mathrm{det}(\mathbf{C}) | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A}^{-1})=\frac{1}{\mathrm{det}(\mathbf{A})}</math> | |||
Multiplikation mit Skalaren <math>x\in\R</math>: | |||
:<math>\begin{vmatrix}x\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix} | |||
=\begin{vmatrix}\vec{a}& x\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix} | |||
=\begin{vmatrix}\vec{a}&\vec{b}& x\vec{c}\end{vmatrix} | |||
= x\begin{vmatrix}\vec{a}&\vec{b}&\vec{c}\end{vmatrix} | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(x\mathbf{A})= x^3\mathrm{det}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
In Komponenten: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}\left(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\right) | |||
=&\begin{vmatrix} | |||
A_{11}& A_{12}& A_{13}\\ | |||
A_{21}& A_{22}& A_{23}\\ | |||
A_{31}& A_{32}& A_{33} | |||
\end{vmatrix} | |||
\\ | |||
=& A_{11}(A_{22}A_{33}-A_{23}A_{32})+A_{12}(A_{23}A_{31}-A_{21}A_{33}) | |||
\\& | |||
+A_{13}(A_{21}A_{32}-A_{22}A_{31}) | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}( | |||
A^{ij}\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j) | |||
=& | |||
\begin{vmatrix} | |||
A^{11}& A^{12}& A^{13}\\ | |||
A^{21}& A^{22}& A^{23}\\ | |||
A^{31}& A^{32}& A^{33} | |||
\end{vmatrix} | |||
\begin{vmatrix}\vec{a}_1&\vec{a}_2&\vec{a}_3\end{vmatrix} | |||
\begin{vmatrix}\vec{g}_1&\vec{g}_2&\vec{g}_3\end{vmatrix} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\operatorname{det}\left(A_j^i\vec{a}_i\otimes\vec{a}^j\right) | |||
=\begin{vmatrix} | |||
A^1_1& A^1_2& A^1_3\\ | |||
A^2_1& A^2_2& A^2_3\\ | |||
A^3_1& A^3_2& A^3_3 | |||
\end{vmatrix} | |||
</math> | |||
Zusammenhang mit den anderen Hauptinvarianten: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}(\mathbf{A}) | |||
=&\frac{1}{6} [ | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A})^{3} | |||
- 3\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2) | |||
+ 2\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^{3}) | |||
] | |||
\\[1ex] | |||
=&\frac{1}{3} [ | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^{3}) | |||
+ 3\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | |||
-\mathrm{Sp}(\mathbf{A})^{3}] | |||
\end{align}</math> | |||
Zusammenhang mit dem [[Spatprodukt]]: | |||
:<math>(\mathbf{A}\cdot\vec{a})\cdot [(\mathbf{A}\cdot\vec{b})\times(\mathbf{A}\cdot\vec{c})] | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\vec{a}\cdot(\vec{b}\times\vec{c}) | |||
</math> | |||
Zusammenhang mit [[#Äußeres Tensorprodukt]]: | |||
:<math>\det(\mathbf{A})=\frac{1}{6}(\mathbf{A}\#\mathbf{A}):\mathbf{A}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\rightarrow\det(\mathbf{A+B}) | |||
=&\det(\mathbf{A})+\det(\mathbf{B}) | |||
+\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathrm{I}_2(\mathbf{B}) | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathrm{Sp}(\mathbf{B}) | |||
\\ | |||
&+\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B\cdot(A+B)}) | |||
-\mathrm{Sp}(\mathbf{A\cdot B})\mathrm{Sp}(\mathbf{A+B}) | |||
\end{align}</math> | |||
Zusammenhang mit dem [[#Kofaktor]]: | |||
:<math>\det(\mathbf{A}+\mathbf{B}) | |||
= | |||
\det(\mathbf{A})+\mathrm{cof}(\mathbf{A}):\mathbf{B} | |||
+\mathbf{A}:\mathrm{cof}(\mathbf{B}) | |||
+\det(\mathbf{B}) | |||
</math> | |||
=== Betrag === | |||
{{Siehe auch|Frobeniusnorm}} | |||
Abbildung <math>\mathcal{L}\to\R</math> | |||
:<math>\parallel\mathbf{A}\parallel | |||
:=\sqrt{\mathbf{A}:\mathbf{A}} | |||
=\sqrt{\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{A})}</math> | |||
:<math>\parallel\vec{a}\otimes\vec{g}\parallel=|\vec{a}|\,|\vec{g}|</math> | |||
:<math>\parallel A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\parallel | |||
=\sqrt{A_{ij}A_{ij}}</math> | |||
:<math>\parallel A^{ij}\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j\parallel | |||
=\sqrt{A^{ij}A^{kl}(\vec{a}_i\cdot\vec{a}_k)(\vec{g}_j\cdot\vec{g}_l)} | |||
</math> | |||
:<math>\parallel A^i_j\vec{a}_i\otimes\vec{a}^j\parallel | |||
=\sqrt{A^i_jA^k_l(\vec{a}_i\cdot\vec{a}_k)(\vec{a}^j\cdot\vec{a}^l)} | |||
</math> | |||
Falls <math>\mathbf{A}=\mathbf{A}^\top</math>: | |||
:<math>\quad\parallel\mathbf{A}\parallel | |||
=\sqrt{\mathrm{Sp}^2(\mathbf{A})-2\mathrm{I}_2(\mathbf{A})} | |||
=\sqrt{\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)} | |||
=\sqrt{\lambda_1^{2}+\lambda_2^{2}+\lambda_3^{2}} | |||
</math> | |||
Falls <math>\mathbf{A}=-\mathbf{A}^\top</math>: | |||
:<math>\quad\parallel\mathbf{A}\parallel | |||
=\sqrt{2\mathrm{I}_2(\mathbf{A})} | |||
=\sqrt{-\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)} | |||
</math> | |||
=== Dualer axialer Vektor === | |||
Für [[#Schiefsymmetrische Tensoren]] <math>\mathbf{A}=-\mathbf{A}^\top=\mathbf{A}^\mathrm{A}</math> gibt es einen dualen axialen | |||
Vektor <math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}</math> für den gilt: | |||
:<math>\mathbf{A}\cdot\vec v | |||
=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}\times\vec v</math> für alle <math>\vec v\in\mathbb{V}</math> | |||
Der duale axiale Vektor ist proportional zur [[#Vektorinvariante]]: | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
:=-\frac12\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})</math> | |||
Berechnung mit [[#Fundamentaltensor 3. Stufe]] <math>\stackrel{3}{\mathbf{E}}</math>, [[#Kreuzprodukt von Tensoren]] oder [[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
=-\frac12\stackrel{3}{\mathbf{E}}:\mathbf{A} | |||
=-\frac12\mathbf{A}\times\mathbf{1} | |||
=-\frac12\mathbf{A}\cdot\!\!\times\mathbf{1} | |||
</math> | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j}} | |||
=-\frac12 A_{ij}\hat{e}_i\times\hat{e}_j | |||
=\frac12\begin{pmatrix} | |||
A_{32}-A_{23}\\ | |||
A_{13}-A_{31}\\ | |||
A_{21}-A_{12}\end{pmatrix} | |||
</math> | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{A^{ij}(\vec{a}_i\otimes\vec{b}_j)}} | |||
=-\frac12 A^{ij}\vec{a}_i\times\vec{b}_j</math> | |||
[[#Symmetrische Tensoren]] und [[#Kugeltensoren]] haben keinen dualen axialen Vektor: <math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^\mathrm{S}}} | |||
=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^\mathrm{K}}} | |||
=\vec{0}</math> | |||
Ein [[#Symmetrischer Anteil]] oder [[#Kugelanteil]] trägt nichts zum dualen axialen Vektor bei: <math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^\mathrm{D}}} | |||
=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^\mathrm{A}}} | |||
</math> | |||
Seien x eine beliebige Zahl, <math>\vec u,\,\vec v</math> beliebige Vektoren und '''A, B''' beliebige Tensoren zweiter Stufe. Dann gilt: | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\vec u\otimes\vec v}}\; | |||
=\frac12\vec v\times\vec u | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}\times\vec{v} | |||
= | |||
\mathbf{A}^\mathrm{A}\cdot\vec{v} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^\top}}\quad\; | |||
=-\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A+B}}}=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}+\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{B}}} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{x\mathbf{A}}}\quad\; | |||
=x\,\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}\#\mathbf{B}}}\; | |||
=\mathbf{A}\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{B}}} | |||
+\mathbf{B}\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}\; | |||
=\mathbf{A}^\top\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}\cdot\mathbf{A} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathrm{cof}(\mathbf{A})}} | |||
=\mathbf{A}\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^{-1}}}\quad | |||
=-\frac{1}{\mathrm{det}(\mathbf{A})}\mathbf{A} | |||
\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
\quad\text{falls}\quad | |||
\mathrm{det}(\mathbf{A})\ne 0 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\vec{v}\times\mathbf{A}}} | |||
=\frac12(\mathrm{Sp}(\mathbf A)\mathbf1-\mathbf A)\cdot\vec v | |||
=\frac12(\mathbf{A}^\top\#\mathbf1)\cdot\vec v | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\vec{v}\times\mathbf{1}}}\;\;=\vec v | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{(\vec{u}\times\vec{v})\times\mathbf{A}}} | |||
=\frac12(\vec u\cdot\mathbf A\times\vec v-\vec v\cdot\mathbf A\times\vec u) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{B\cdot A\cdot B}^\top}}\;\; | |||
= | |||
\mathrm{cof}(\mathbf{B})\cdot\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
</math> | |||
Darin ist „#“ ein [[#Äußeres Tensorprodukt]], cof(·) ist der [[#Kofaktor]]. | |||
{{Siehe auch|Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix}} | |||
=== Vektorinvariante === | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
:=\mathbf{A}\cdot\!\!\times\mathbf{1} | |||
=\mathbf{A}\times\mathbf1 | |||
=\stackrel{3}{\mathbf E}:\mathbf A | |||
=-2\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
</math> | |||
:<math>\vec{\mathrm{i}}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
= A_{ij}\hat{e}_i\times\hat{e}_j | |||
=\begin{pmatrix} | |||
A_{23}-A_{32}\\ | |||
A_{31}-A_{13}\\ | |||
A_{12}-A_{21}\end{pmatrix} | |||
</math> | |||
:<math>\vec{\mathrm{i}}(A^{ij}(\vec{a}_i\otimes\vec{b}_j)) | |||
= A^{ij}\vec{a}_i\times\vec{b}_j</math> | |||
Zusammenhang mit dem [[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math>\mathbf{A}\cdot\!\!\times\mathbf{B} | |||
=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}\cdot\mathbf{B})</math> | |||
[[#Symmetrische Tensoren]] haben keine Vektorinvariante: <math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}^\mathrm{S})=\vec{0}</math> | |||
Die Eigenschaften des dualen axialen Vektors sind hierher übertragbar. Seien x eine beliebige Zahl, <math>\vec u,\,\vec v</math> beliebige Vektoren und '''A, B''' beliebige Tensoren zweiter Stufe. Dann gilt: | |||
:<math>\vec{\mathrm{i}}(\vec u\otimes\vec v)\;\; | |||
=\vec u\times\vec v</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})\times\vec{v}\; | |||
=-2\mathbf{A}^\mathrm{A}\cdot\vec{v} | |||
=(\mathbf{A^\top-A})\cdot\vec{v} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}^\top)\quad\; | |||
=-\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A+B}) | |||
=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})+\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{B}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(x\mathbf{A})\quad\; | |||
=x\,\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}\#\mathbf{B})\; | |||
=\mathbf{A}\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{B}) | |||
+\mathbf{B}\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})\; | |||
=\mathbf{A}^\top\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})\cdot\mathbf{A} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathrm{cof}(\mathbf{A})) | |||
=\mathbf{A}\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}^{-1})\quad | |||
=-\frac{1}{\mathrm{det}(\mathbf{A})} | |||
\mathbf{A}\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
\quad\text{falls}\quad | |||
\mathrm{det}(\mathbf{A})\ne 0 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\vec v\times\mathbf{A})\; | |||
=(\mathbf{A}-\mathrm{Sp}(\mathbf A)\mathbf1)\cdot\vec v | |||
=-(\mathbf{A}^\top\#\mathbf1)\cdot\vec v | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\vec{v}\times\mathbf{1})\;\;=-2\vec v | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}((\vec{u}\times\vec{v})\times\mathbf{A}) | |||
=\vec v\cdot\mathbf A\times\vec u-\vec u\cdot\mathbf A\times\vec v | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{B\cdot A\cdot B}^\top) | |||
= | |||
\mathrm{cof}(\mathbf{B})\cdot\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
Darin ist „#“ ein [[#Äußeres Tensorprodukt]], cof(·) ist der [[#Kofaktor]]. | |||
== Spezielle Tensoren == | |||
=== Dyade === | |||
{{Siehe auch|Dyadisches Produkt}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:=\vec{a}\otimes\vec{b}</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\mathbf0</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A})=\vec{a}\cdot\vec{b}</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A})= 0</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})= 0</math> | |||
:<math>\parallel\mathbf{A}\parallel = |\vec{a}|\,|\vec{b}|</math> | |||
[[#Eigensystem]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\lambda_1=&\vec{a}\cdot\vec{b}, | |||
& | |||
\vec{v}_1=&\frac{\vec{a}}{|\vec{a}|} | |||
\\ | |||
\lambda_2=&0, | |||
& | |||
\vec{v}_2=&\frac{\vec{a}\times\vec{b}}{|\vec{a}\times\vec{b}|} | |||
\\ | |||
\lambda_3=& 0, | |||
& | |||
\vec{v}_3=&\frac{(\vec{a}\times\vec{b})\times\vec{b}}{ | |||
|(\vec{a}\times\vec{b})\times\vec{b}|} | |||
\end{align}</math> | |||
=== Dyadentripel === | |||
Gegeben ein beliebiger Tensor 2. Stufe '''A'''. Dieser kann immer als Summe dreier Dyaden dargestellt werden: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{A}=A_{ij}\hat e_i\otimes\hat e_j | |||
=&\vec s_j\otimes\hat e_j | |||
=\begin{pmatrix}\vec s_1&\vec s_2&\vec s_3\end{pmatrix} | |||
\\=& | |||
\hat e_i\otimes\vec z_i | |||
=\begin{pmatrix}\vec z_1&\vec z_2&\vec z_3\end{pmatrix}^\top | |||
\\=& | |||
\vec a_k\otimes\vec g_k\end{align}</math> | |||
mit Spaltenvektoren <math>\vec s_j=A_{ij}\hat e_i=\mathbf{A}\cdot\hat e_j</math>, Zeilenvektoren <math>\vec z_i=A_{ij}\hat e_j=\hat e_i\cdot\mathbf{A}</math> und <math>\vec g_k=(\vec a^k\cdot\hat e_i)A_{ij}\hat e_j=\vec a^k\cdot\mathbf{A}</math>. | |||
[[#Hauptinvarianten]] (<math>x_{m,n}:=\vec x_m\cdot\hat e_n</math>): | |||
:<math>\mathrm{I}_1(\mathbf{A})=s_{i,i}=z_{i,i}=\vec a_i\cdot\vec g_i</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | |||
=&\frac12(s_{i,i}s_{j,j}-s_{i,j}s_{j,i}) | |||
=\frac12(z_{i,i}z_{j,j}-z_{i,j}z_{j,i}) | |||
\\=& | |||
\frac12[(\vec a_i\cdot\vec g_i)(\vec a_j\cdot\vec g_j) | |||
-(\vec a_i\cdot\vec g_j)(\vec a_j\cdot\vec g_i)] | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_3(\mathbf{A}) | |||
=\begin{vmatrix}\vec s_1&\vec s_2&\vec s_3\end{vmatrix} | |||
=\begin{vmatrix}\vec z_1&\vec z_2&\vec z_3\end{vmatrix} | |||
=\begin{vmatrix}\vec a_1&\vec a_2&\vec a_3\end{vmatrix} | |||
\begin{vmatrix}\vec g_1&\vec g_2&\vec g_3\end{vmatrix} | |||
</math> | |||
[[#Betrag]]: | |||
:<math>\parallel\mathbf{A}\parallel | |||
=\sqrt{\vec s_i\cdot\vec s_i} | |||
=\sqrt{\vec z_i\cdot\vec z_i} | |||
=\sqrt{(\vec a_i\cdot\vec a_j)(\vec g_i\cdot\vec g_j)} | |||
</math> | |||
[[#Dualer axialer Vektor]]: | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf A}} | |||
=\frac12\hat e_i\times\vec s_i | |||
=\frac12\vec z_i\times\hat e_i | |||
=\frac12\vec g_i\times\vec a_i | |||
</math> | |||
[[#Vektorinvariante]]: | |||
:<math>\vec{\mathrm{i}}(\mathbf A) | |||
=\vec s_i\times\hat e_i | |||
=\hat e_i\times\vec z_i | |||
=\vec a_i\times\vec g_i | |||
</math> | |||
[[#Kofaktor]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{cof}(\mathbf{A}) | |||
=&\vec z_i\otimes\vec s_i | |||
-\mathrm{I}_1(\mathbf A)\mathbf{A}^\top | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf A)\mathbf1 | |||
\\=& | |||
(\vec a_i\cdot\vec g_j)\vec g_i\otimes\vec a_j | |||
-(\vec a_i\cdot\vec g_i)\vec g_j\otimes\vec a_j+\mathrm{I}_2(\mathbf A)\mathbf1 | |||
\end{align}</math> | |||
[[#Inverse]]: | |||
:<math>\mathbf{A}^{-1}=\hat e_i\otimes\vec s^i=\vec z^i\otimes\hat e_i | |||
=\vec g^i\otimes\vec a^i</math> | |||
=== Einheitstensor === | |||
{{Siehe auch|Einheitstensor}} | |||
:<math>\mathbf{1} | |||
=\hat{e}_i\otimes\hat{e}_i | |||
=\delta_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
=\begin{pmatrix} | |||
1& 0& 0\\ | |||
0& 1& 0\\ | |||
0& 0& 1\end{pmatrix}</math> | |||
:<math>\mathbf{1} | |||
=\vec{g}_i\otimes\vec{g}^i | |||
=\vec{g}^i\otimes\vec{g}_i | |||
= g^{ij}\vec{g}_i\otimes\vec{g}_j | |||
= g_{ij}\vec{g}^i\otimes\vec{g}^j</math> | |||
mit <math>g_{ij}=\vec{g}_i\cdot\vec{g}_j\,,\; | |||
g^{ij}=\vec{g}^i\cdot\vec{g}^j</math> | |||
Allgemein: | |||
:<math>\mathbf{1}=(\vec{a}^i\cdot\vec{g}^j)\vec{a}_i\otimes\vec{g}_j</math> | |||
[[#Transposition]] und [[#Inverse]]: | |||
:<math>\mathbf{1} | |||
=\mathbf{1}^\top | |||
=\mathbf{1}^{-1} | |||
=\mathbf{1}^{\top -1} | |||
</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf1)=\mathbf1</math> | |||
Vektortransformation | |||
:<math>\mathbf{1}\cdot\vec{v}=\vec{v}\cdot\mathbf{1}=\vec{v}</math> | |||
Tensorprodukt | |||
:<math>\mathbf{A\cdot 1} | |||
=\mathbf{1\cdot A} | |||
=\mathbf{A}</math> | |||
Skalarprodukt | |||
:<math>\mathbf{A}:\mathbf{1}=\mathrm{Sp}(\mathbf{A})</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
:<math> | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{1}) | |||
=\mathbf{1}:\mathbf{1} | |||
=3 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{1})=3 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{det}(\mathbf{1})=1 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\parallel\mathbf{1}\parallel=\sqrt{3} | |||
</math> | |||
[[#Eigenwerte]]: | |||
:<math>\lambda_{1,2,3}= 1</math> | |||
Alle Vektoren sind [[#Eigenvektoren]]. | |||
=== Unimodulare Tensoren === | |||
{{Siehe auch|Spezielle lineare Gruppe}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{H}:\quad\mathrm{det}(\mathbf{H})= 1</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf H)=\mathbf{H}^{\top-1}</math> | |||
Determinantenproduktsatz: | |||
:<math> | |||
\mathrm{det}(\mathbf{A\cdot H}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{H\cdot A}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
=== Orthogonale Tensoren === | |||
{{Siehe auch|Orthogonaler Tensor}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{Q}:\quad\mathbf{Q}^{-1}=\mathbf{Q}^\top | |||
\quad\textsf{oder}\quad | |||
\mathbf{Q\cdot Q}^\top | |||
=\mathbf{Q}^\top\cdot\mathbf{Q} | |||
=\mathbf{1}</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf Q)=\mathrm{det}(\mathbf Q)\mathbf{Q} | |||
=\pm\mathbf Q</math> | |||
[[#Invarianten]] (<math>\alpha</math> ist der Drehwinkel): | |||
:<math> | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{Q})=\mathrm{det}(\mathbf{Q})+2\cos(\alpha) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{Q}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{Q})\cdot\mathrm{Sp}(\mathbf{Q}) | |||
=1+2\,\mathrm{det}(\mathbf{Q})\cos(\alpha) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{det}(\mathbf{Q})=\pm 1 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\parallel\mathbf Q\parallel=\sqrt3 | |||
</math> | |||
''Eigentlich orthogonaler'' Tensor <math>\mathrm{det}(\mathbf{Q})=+1</math>, entspricht einer Drehung. | |||
''Uneigentlich orthogonaler'' Tensor <math>\mathrm{det}(\mathbf{Q})=-1</math>, entspricht einer Drehspiegelung. | |||
Spatprodukt: | |||
:<math>(\mathbf{Q}\cdot\vec{a})\cdot [(\mathbf{Q}\cdot\vec{b})\times(\mathbf{Q}\cdot\vec{c})] | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{Q})\vec{a}\cdot(\vec{b}\times\vec{c})</math> | |||
Kreuzprodukt und [[#Kofaktor]]: | |||
:<math>(\mathbf{Q}\cdot\vec{a})\times(\mathbf{Q}\cdot\vec{b}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{Q})\mathbf{Q}\cdot(\vec{a}\times\vec{b}) | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{cof}(\mathbf{Q}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{Q})\mathbf{Q}</math> | |||
Gegeben ein [[Einheitsvektor]] <math>\hat{n}=\begin{pmatrix}n_1&n_2&n_3\end{pmatrix}^\top</math> und Drehwinkel ''α''. Dann sind die folgenden Tensoren '''R''' zueinander gleich, orthogonal und drehen um die Achse <math>\hat{n}</math> mit Winkel ''α'': | |||
[[Rodrigues-Formel]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf R | |||
=&\mathbf1+s_\alpha\hat{n}\times\mathbf1+d_\alpha(\hat{n}\times\mathbf1)^2 | |||
\\ | |||
=&\mathbf1+s_\alpha\hat{n}\times\mathbf1+d_\alpha(\hat n\otimes\hat n-\mathbf1) | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\mathbf{R}=\begin{pmatrix} | |||
c_\alpha+d_\alpha n_1^2&-s_\alpha n_3+d_\alpha n_1n_2&s_\alpha n_2 | |||
+d_\alpha n_1n_3 | |||
\\ | |||
s_\alpha n_3+d_\alpha n_1n_2&c_\alpha+d_\alpha n_2^2&-s_\alpha n_1 | |||
+d_\alpha n_2n_3 | |||
\\ | |||
-s_\alpha n_2+d_\alpha n_1n_3&s_\alpha n_1+d_\alpha n_2n_3&c_\alpha | |||
+d_\alpha n_3^2 | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
mit <math>c_\alpha=\cos(\alpha),\;d_\alpha=1-\cos(\alpha),\;s_\alpha=\sin(\alpha)</math>. | |||
[[Euler-Rodrigues-Formel]]: <math>a=\cos\left(\tfrac{\alpha}{2}\right), | |||
b=\sin\left(\tfrac{\alpha}{2}\right)n_1, | |||
c=\sin\left(\tfrac{\alpha}{2}\right)n_2, | |||
d=\sin\left(\tfrac{\alpha}{2}\right)n_3 | |||
</math> also <math>a^2+b^2+c^2+d^2=1</math>: | |||
:<math>\mathbf{R}:=\begin{pmatrix} | |||
a^2+b^2-c^2-d^2 & 2(bc-ad) & 2(bd + ac) \\ | |||
2(bc+ad) & a^2+c^2-b^2-d^2 & 2(cd - ab) \\ | |||
2(bd-ac) & 2(cd+ab) & a^2+d^2-b^2-c^2 | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
Formulierung mit Drehvektor: | |||
{| style="margin-left:2em" | |||
|- | |||
| Drehvektor || || Orthogonaler Tensor | |||
|- | |||
| <math>\vec\alpha=\alpha\vec{n}</math>|| → | |||
| <math>\mathbf R | |||
=\mathbf1+\frac{\sin(\alpha)}{\alpha}\vec{\alpha}\times\mathbf1 | |||
+\frac{1-\cos(\alpha)}{\alpha^2}(\vec\alpha\times\mathbf1)^2</math> | |||
|- | |||
| <math>\vec\alpha=\tan(\alpha)\vec{n}</math>|| → | |||
| <math>\mathbf R=\mathbf1 | |||
+\cos(\alpha)\vec\alpha\times\mathbf1 | |||
+\frac{\cos^2(\alpha)}{1+\cos(\alpha)}(\vec\alpha\times\mathbf1)^2 | |||
</math> | |||
|- | |||
| <math>\vec{\alpha}=\tan\left(\frac{\alpha}{2}\right)\;\vec{n}</math> | |||
| → | |||
| <math>\mathbf{R} | |||
=\mathbf1+\frac{2}{1+\vec{\alpha}\cdot\vec{\alpha}} | |||
(\vec{\alpha}\times\mathbf1+(\vec\alpha\times\mathbf1)^2)</math> | |||
|- | |||
| <math>\vec\alpha=\sin(\alpha)\;\vec{n}</math>|| → | |||
| <math>\mathbf{R} | |||
=\mathbf1+\vec{\alpha}\times\mathbf1+\dfrac1{1+\cos(\alpha)} | |||
(\vec\alpha\times\mathbf1)^2 | |||
</math> | |||
|- | |||
| <math>\vec\alpha=\sin\left(\frac\alpha2\right)\;\vec{n}</math>|| → | |||
| <math>\mathbf R=\mathbf1 | |||
+2\cos\left(\frac\alpha2\right)\vec\alpha\times\mathbf1 | |||
+2(\vec\alpha\times\mathbf1)^2</math> | |||
|- | |||
| <math>\vec\alpha=\cos(\alpha)\;\vec{n}</math>|| → | |||
| <math>\mathbf R=\mathbf1+\tan(\alpha)\vec{\alpha}\times\mathbf1 | |||
+\frac{1-\cos(\alpha)}{\vec{\alpha}\cdot\vec{\alpha}} | |||
(\vec\alpha\times\mathbf1)^2 | |||
</math> | |||
|- | |||
| <math>\vec\alpha=\cos\left(\frac{\alpha}{2}\right)\;\vec{n}</math> | |||
| → | |||
| <math>\mathbf R=\mathbf1 | |||
+2\sin\left(\frac{\alpha}{2}\right)\vec\alpha\times\mathbf1 | |||
+2\frac{1-\vec{\alpha}\cdot\vec{\alpha}}{\vec{\alpha}\cdot\vec{\alpha}} | |||
(\vec\alpha\times\mathbf1)^2 | |||
</math> | |||
|} | |||
Darin ist <math>(\vec\alpha\times\mathbf1)^2=(\vec\alpha\times\mathbf1)\cdot(\vec\alpha\times\mathbf1)=\vec{\alpha}\otimes\vec{\alpha}-(\vec{\alpha}\cdot\vec{\alpha})\mathbf1</math> | |||
Beispiel für Drehspiegelung: | |||
:<math> | |||
\mathbf{Q}=-\mathbf1+\sin(\alpha)\hat n\times\mathbf1 | |||
-(1+\cos(\alpha))(\hat n\times\mathbf1)^2 | |||
</math> | |||
Drehung von [[Vektorraumbasis]] <math>\vec{u}_{1,2,3}\;\textsf{nach}\;\vec{v}_{1,2,3}</math> mit Drehachse <math>\hat{n}</math>: | |||
:<math> | |||
\mathbf{Q}\cdot\vec{u}_i=\vec{v}_i | |||
\,,\quad | |||
\mathbf{Q}\cdot\vec{u}^i=\vec{v}^i | |||
\,,\quad | |||
\mathbf{Q}=\vec{v}_i\otimes\vec{u}^i=\vec{v}^i\otimes\vec{u}_i | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\hat{n}\simeq\vec{v}_i\times\vec{u}^i=\vec{v}^i\times\vec{u}_i | |||
=-2\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf Q}}=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf Q) | |||
</math> | |||
mit [[#Dualer axialer Vektor]] <math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf Q}}</math> und [[#Vektorinvariante]] <math>\vec{\mathrm{i}}(\mathbf Q)</math>. | |||
Gegeben [[Orthonormalbasis]] <math>\hat{v}_{1,2,3}</math>, Drehwinkel <math>\alpha</math> und <math>\hat{v}_1</math> ist Drehachse: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{Q}=&{\color{red}\pm}\hat{v}_1\otimes\hat{v}_1 | |||
+\cos(\alpha)(\hat{v}_2\otimes\hat{v}_2 +\hat{v}_3\otimes\hat{v}_3) | |||
+\sin(\alpha)(\hat{v}_3\otimes\hat{v}_2-\hat{v}_2\otimes\hat{v}_3) | |||
\\ | |||
=&\begin{pmatrix} | |||
{\color{red}\pm 1}& 0 & 0\\ | |||
0 &\cos(\alpha)& -\sin(\alpha)\\ | |||
0 &\sin(\alpha)&\cos(\alpha) | |||
\end{pmatrix}_{\hat{v}_i\otimes\hat{v}_j} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>{\color{red}+1}</math>: Drehung, <math>{\color{red}-1}</math>: Drehspiegelung um <math>\hat{v}_1</math> | |||
Wenn <math>\hat{v}_{1,2,3}</math> ein [[Rechtssystem (Mathematik)]] bilden, dann dreht '''Q''' gegen den Uhrzeigersinn, sonst im Uhrzeigersinn um die Drehachse. | |||
[[#Eigensystem]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\lambda_1=&\mathrm{det}(\mathbf{Q})\,, | |||
& | |||
\vec{q}_1=&\hat{v}_1 | |||
\\ | |||
\lambda_2=&e^{\mathrm{i}\alpha}, | |||
& | |||
\vec{q}_2=&\frac{1}{\sqrt2}(\hat{v}_2-\mathrm{i}\hat{v}_3). | |||
\\ | |||
\lambda_3=& e^{-\mathrm{i}\alpha}, | |||
& | |||
\vec{q}_3=&\frac{1}{\sqrt2}(\hat{v}_2+\mathrm{i}\hat{v}_3) | |||
\end{align}</math> | |||
Drehwinkel: | |||
:<math>\cos(\alpha)=\frac{1}{2}(\mathrm{Sp}(\mathbf{Q})-\mathrm{det}(\mathbf{Q}))</math> | |||
Drehachse <math>\hat{n}</math> ist [[#Vektorinvariante]]: | |||
:<math>\hat{n}\simeq | |||
\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{Q}) | |||
=\mathbf{1}\cdot\!\!\times\mathbf{Q} | |||
</math> | |||
:<math>\mathbf{Q}=\vec{s}_i\otimes\vec{e}_i=\vec{e}_i\otimes\vec{z}_i | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\hat{n}\simeq\vec{s}_i\times\vec{e}_i=\vec{e}_i\times\vec{z}_i | |||
</math> | |||
:<math>\frac{1}{2}(\mathbf{Q}-\mathbf{Q}^\top) | |||
= | |||
\sin(\alpha)\hat{n}\times\mathbf{1} | |||
= | |||
\sin(\alpha)\begin{pmatrix} | |||
0 & -n_3 & n_2\\ | |||
n_3 & 0 & -n_1\\ | |||
-n_2 & n_1 & 0\end{pmatrix} | |||
,\quad | |||
|\hat n|=1 | |||
</math> | |||
=== Positiv definite Tensoren === | |||
{{Siehe auch|Positiv Definit}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:\quad\vec{v}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v}> 0 | |||
\quad\forall\;\vec{v}\in\mathbb{V}\setminus\{\vec{0}\}</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A}) | |||
=\mathbf{A^\top\cdot A^\top}-\mathrm{I}_1(\mathbf{A})\mathbf{A}^\top | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{1} | |||
=\det(\mathbf{A})\mathbf{A}^{\top-1} | |||
</math> | |||
Notwendige Bedingungen für positive Definitheit: | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})> 0</math> | |||
:<math>\mathbf{A}= A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
A_{11},\,A_{22},\,A_{33}> 0</math> | |||
:<math>\mathbf{A}= A^i_j\vec{a}_i\otimes\vec{a}^j | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
A^1_1,\,A^2_2,\,A^3_3 > 0</math> | |||
[[Notwendige und hinreichende Bedingung]] für positive Definitheit: Alle [[#Eigenwerte]] von '''A''' sind größer als null. | |||
Immer positiv definit falls det('''A''') ≠ 0: | |||
: '''A·A'''<sup>⊤</sup> und '''A<sup>⊤</sup>·A''' | |||
=== Symmetrische Tensoren === | |||
{{Siehe auch|Symmetrische Matrix}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:\quad\mathbf{A}=\mathbf{A}^\top</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
=\mathbf{A}^2-\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{A} | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{1} | |||
</math> | |||
[[#Betrag]]: | |||
:<math>\quad\parallel\mathbf{A}\parallel | |||
=\sqrt{\mathrm{Sp}^2(\mathbf{A})-2\mathrm{I}_2(\mathbf{A})} | |||
=\sqrt{\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)} | |||
=\sqrt{\lambda_1^{2}+\lambda_2^{2}+\lambda_3^{2}} | |||
</math> | |||
Bei Symmetrischen Tensoren verschwinden ihr [[#Dualer axialer Vektor]] und ihre [[#Vektorinvariante]]: | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}^\mathrm{S}}} | |||
=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}^\mathrm{S})=\vec{0}</math> | |||
Bilinearform: | |||
:<math> | |||
\vec{u}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v} | |||
=\vec{v}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{u} | |||
\quad\forall\vec{u},\vec{v}\in\mathbb{V} | |||
</math> | |||
Alle [[#Eigenwerte]] λ<sub>1,2,3</sub> sind reell. Alle [[#Eigenvektoren]] <math>\vec a_{1,2,3}</math> sind reell und paarweise orthogonal zueinander oder orthogonalisierbar. [[Hauptachsentransformation]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{A} | |||
=& | |||
\sum_{i=1}^3\lambda_i\hat{a}_i\otimes\hat{a}_i | |||
= | |||
(\hat{a}_i\otimes\hat{e}_i) | |||
\left(\sum_{i=1}^3\lambda_j\hat{e}_j\otimes\hat{e}_j\right) | |||
(\hat{e}_k\otimes\hat{a}_k) | |||
\\=& | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix} | |||
\cdot\begin{pmatrix} | |||
\lambda_1& 0& 0\\ | |||
0&\lambda_2& 0\\ | |||
0& 0&\lambda_3 | |||
\end{pmatrix}\cdot | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix}^\top | |||
\end{align}</math> | |||
Bezüglich der Standardbasis: | |||
:<math>\mathbf{A}= | |||
A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
=\begin{pmatrix}A_{11}& A_{12}& A_{13}\\ | |||
A_{12}& A_{22}& A_{23}\\ | |||
A_{13}& A_{23}& A_{33}\end{pmatrix}</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
:<math>\mathrm{Sp}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=A_{11}+A_{22}+A_{33}</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=A_{11}A_{22}+A_{11}A_{33}+A_{22}A_{33}-A_{12}^2-A_{13}^2-A_{23}^2</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=&A_{11}(A_{22}A_{33}- A_{23}^2)+A_{12}(A_{23}A_{13}- A_{12}A_{33}) | |||
\\& | |||
+A_{13}(A_{12}A_{23}- A_{13}A_{22}) | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\parallel A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\parallel | |||
=\sqrt{A_{11}^{2}+A_{22}^{2}+A_{33}^{2} | |||
+2 A_{12}^{2}+ 2 A_{13}^{2}+2 A_{23}^{2}}</math> | |||
==== Symmetrische und positiv definite Tensoren ==== | |||
{{Siehe auch|Positiv Definit}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:\quad | |||
\mathbf{A}=\mathbf{A}^\top | |||
\quad\text{und}\quad | |||
\vec{v}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v}> 0 | |||
\quad\forall\;\vec{v}\in\mathbb{V}\setminus\{\vec{0}\}</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
=\mathrm{det}(\mathbf{A})\mathbf{A}^{-1} | |||
=\mathbf{A}^2-\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{A} | |||
+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf{1} | |||
</math> | |||
Mit den [[#Eigenwerte]]n <math>\lambda_1,\,\lambda_2,\,\lambda_3</math>, den [[#Eigenvektoren]] <math>\hat{a}_1,\,\hat{a}_2,\,\hat{a}_3</math> und einer reellwertigen Funktion <math>f(x)\in\R</math> eines reellen Argumentes <math>x\in\R</math> definiert man über das [[#Eigensystem symmetrischer Tensoren]] | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{A} | |||
=& | |||
\sum_{i=1}^3\lambda_i\hat{a}_i\otimes\hat{a}_i | |||
\\=& | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix} | |||
\cdot\begin{pmatrix} | |||
\lambda_1& 0& 0\\ | |||
0&\lambda_2& 0\\ | |||
0& 0&\lambda_3 | |||
\end{pmatrix}\cdot | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix}^\top | |||
\end{align}</math> | |||
den Funktionswert des Tensors: | |||
:<math>\begin{align} | |||
f(\mathbf{A}) | |||
:=& | |||
\sum_{i=1}^3 f(\lambda_i)\hat{a}_i\otimes\hat{a}_i | |||
\\=& | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix} | |||
\cdot\begin{pmatrix} | |||
f(\lambda_1)& 0& 0\\ | |||
0& f(\lambda_2)& 0\\ | |||
0& 0& f(\lambda_3) | |||
\end{pmatrix}\cdot | |||
\begin{pmatrix}\hat{a}_1&\hat{a}_2&\hat{a}_3\end{pmatrix}^\top | |||
\end{align}</math> | |||
Ist ''f'' eine mehrdeutige Funktion, wie die [[Wurzel (Mathematik)]], mit ''n'' alternativen Werten, dann steht ''f''('''A''') mehrdeutig für ''n''<sup>3</sup> alternative Tensoren. | |||
Insbesondere mit dem [[Deformationsgradient]] '''F''': | |||
Rechter Strecktensor | |||
:<math>\mathbf{U} | |||
=+\sqrt{\mathbf{F}^\top\cdot\mathbf{F}}</math> | |||
Linker Strecktensor | |||
:<math>\mathbf{v} | |||
=+\sqrt{\mathbf{F\cdot F}^\top}</math> | |||
Henky-Dehnung | |||
:<math>\mathbf{E}_H | |||
:=\ln(\mathbf{U}) | |||
=\frac{1}{2}\ln(\mathbf{F}^\top\cdot\mathbf{F})</math> | |||
==== Voigt-Notation symmetrischer Tensoren zweiter Stufe ==== | |||
{{Siehe auch|Voigtsche Notation|#Voigt'sche Notation von Tensoren vierter Stufe}} | |||
Die Tensoren | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathbf{S}_1=&\vec{e}_1\otimes\vec{e}_1\\ | |||
\mathbf{S}_2=&\vec{e}_2\otimes\vec{e}_2\\ | |||
\mathbf{S}_3=&\vec{e}_3\otimes\vec{e}_3\\ | |||
\mathbf{S}_{4}=&\vec{e}_2\otimes\vec{e}_3+\vec{e}_3\otimes\vec{e}_2\\ | |||
\mathbf{S}_{5}=&\vec{e}_1\otimes\vec{e}_3+\vec{e}_3\otimes\vec{e}_1\\ | |||
\mathbf{S}_{6}=&\vec{e}_1\otimes\vec{e}_2+\vec{e}_2\otimes\vec{e}_1 | |||
\end{align}</math> | |||
bilden eine Basis im Vektorraum <math>\mathrm{sym}(\mathbb{V},\mathbb{V})\subset\mathcal{L}</math> der symmetrischen Tensoren zweiter Stufe. Bezüglich dieser Basis können alle symmetrischen Tensoren zweiter Stufe in [[Voigtsche Notation|Voigt'scher Notation]] dargestellt werden: | |||
:<math>\mathbf{A}\in\mathrm{sym}(\mathbb{V},\mathbb{V}) | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\mathbf{A} | |||
= A_r\mathbf{S}_r | |||
\hat=\begin{bmatrix} | |||
A_1\\ | |||
A_2\\ | |||
A_3\\ | |||
A_{4}\\ | |||
A_{5}\\ | |||
A_{6} | |||
\end{bmatrix}</math> | |||
Diese Vektoren dürfen addiert, subtrahiert und mit einem Skalar multipliziert werden. Beim Skalarprodukt muss | |||
:<math>\mathbf{A}:\mathbf{B} | |||
= A_1 B_1 + A_2 B_2 + A_3 B_3 + 2 A_4 B_4 + 2 A_5 B_5 + 2 A_6 B_6 | |||
</math> | |||
berücksichtigt werden. Siehe auch [[#Voigt'sche Notation von Tensoren vierter Stufe]]. | |||
=== Schiefsymmetrische Tensoren === | |||
{{Siehe auch|Schiefsymmetrische Matrix}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:\quad\mathbf{A}=-\mathbf{A}^\top</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
=\mathbf{A\cdot A}+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf1 | |||
=\mathbf{A\cdot A}-\frac12\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)\mathbf1 | |||
</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A})=0</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A})=-\frac12\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})=0</math> | |||
:<math>\quad\parallel\mathbf{A}\parallel | |||
=\sqrt{2\mathrm{I}_2(\mathbf{A})} | |||
=\sqrt{-\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)} | |||
</math> | |||
In kartesischen Koordinaten: | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= | |||
A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
=\begin{pmatrix} | |||
0& A_{12}& A_{13}\\ | |||
-A_{12}& 0& A_{23}\\ | |||
-A_{13}& -A_{23}& 0 | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
:<math>\mathrm{Sp}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)=0</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
= A_{12}^2+A_{13}^2+A_{23}^2 | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j)=0</math> | |||
:<math>\parallel A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\parallel | |||
=\sqrt{2}\sqrt{A_{12}^2+A_{13}^2+A_{23}^2} | |||
</math> | |||
Bilinearform: | |||
:<math> | |||
\vec{u}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v} | |||
=-\vec{v}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{u} | |||
\quad\forall\vec{u},\vec{v}\in\mathbb{V} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{v}\cdot\mathbf{A}\cdot\vec{v}=0 | |||
\quad\forall\vec{v}\in\mathbb{V} | |||
</math> | |||
Ein Eigenwert ist null, zwei imaginär konjugiert komplex, siehe [[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix]]. | |||
[[#Dualer axialer Vektor]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
&\mathbf{A}_\times | |||
:=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
:=-\frac{1}{2}\mathbf{1}\times\mathbf{A}^\top | |||
=-\frac{1}{2}\mathbf{1}\cdot\!\!\times\mathbf{A} | |||
= -\frac{1}{2}\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
\\& | |||
\rightarrow\quad | |||
\mathbf{A}\cdot\vec{v}=\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}}\times\vec{v} | |||
\quad\forall\vec{v}\in\mathbb{V} | |||
\end{align}</math> | |||
mit [[#Vektorinvariante]] <math>\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A})</math>. Der zum Eigenwert null gehörende [[#Eigenvektoren|#Eigenvektor]] ist proportional zum dualen axialen Vektor <math>\mathbf{A}_\times</math> denn | |||
:<math>\mathbf{A\cdot A}_\times | |||
=\mathbf{A}_\times\times\mathbf{A}_\times | |||
=\vec{0}</math> | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
\quad\rightarrow\; | |||
\mathbf{A}_\times | |||
=-\frac{1}{2}A_{ij}\hat{e}_i\times\hat{e}_j | |||
=\begin{pmatrix}-A_{23}\\A_{13}\\-A_{12}\end{pmatrix} | |||
</math> | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= A_{ij}(\vec{a}_i\otimes\vec{b}_j -\vec{b}_j\otimes\vec{a}_i) | |||
\quad\rightarrow\; | |||
\mathbf{A}_\times=-A_{ij}\vec{a}_i\times\vec{b}_j</math> | |||
=== Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix === | |||
{{Siehe auch|#Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor}} | |||
Kreuzproduktmatrix <math> [\vec{u}]_\times</math> eines Vektors <math>\vec{u}</math>: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\vec{u} | |||
=u_i\hat{e}_i | |||
=&\begin{pmatrix}u_1\\u_2\\u_3\end{pmatrix} | |||
\\ | |||
\rightarrow\; | |||
[\vec{u}]_\times=&\vec{u}\times\mathbf{1} | |||
=\vec{u}\times\hat{e}_i\otimes\hat{e}_i | |||
=-\stackrel{3}{\mathbf{E}}\cdot\vec{u} | |||
=\begin{pmatrix}0&-u_3&u_2\\ | |||
u_3&0&-u_1\\ | |||
-u_2&u_1&0 | |||
\end{pmatrix}\in\mathcal{L} | |||
\end{align}</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\vec{u}\times\mathbf{1}) | |||
=\mathrm{adj}(\vec{u}\times\mathbf{1}) | |||
=\vec{u}\otimes\vec{u}</math> | |||
[[#Invarianten]]: | |||
:<math> | |||
\mathrm{Sp}=0 | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2=\vec{u}\cdot\vec{u}= u_1^2 + u_2^2 + u_3^2 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathrm{det}=0 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\|\vec{u}\times\mathbf{1}\| | |||
=\sqrt{2\vec{u}\cdot\vec{u}}=\sqrt{2}\sqrt{u_1^2 + u_2^2 + u_3^2} | |||
</math> | |||
:<math>\stackrel{A}{\overrightarrow{\vec{u}\times\mathbf{1}}}=\vec u</math> | |||
[[#Eigensystem]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\lambda_1=& 0\,, &\vec{v}_1=&\vec{u} | |||
\\ | |||
\lambda_{2,3}=&\mp\mathrm{i}|\vec{u}|\,, & | |||
\vec{v}_{2,3}&\simeq& | |||
\frac{u_1}{|\vec{u}|}\begin{pmatrix}u_1\\ u_2\\ u_3\end{pmatrix} | |||
\pm\mathrm{i}\begin{pmatrix}\pm\mathrm{i}|\vec{u}|\\ -u_3\\ u_2\end{pmatrix} | |||
\end{align}</math> | |||
Eigenschaften: | |||
:<math>\vec{u}\times\vec{v}=(\vec{u}\times\mathbf{1})\cdot\vec{v} | |||
=\vec{u}\cdot(\vec{v}\times\mathbf{1})</math> | |||
:<math>\vec{u}\times\mathbf{1}=\mathbf{1}\times\vec{u}</math> | |||
:<math>(\vec{u}\times\mathbf{1})^\top=-\vec{u}\times\mathbf{1}</math> | |||
:<math>\vec{u} | |||
=-\frac{1}{2}\mathbf{1}\cdot\!\!\times(\vec{u}\times\mathbf{1}) | |||
=-\frac{1}{2}(\mathbf{1}\times\vec{u})\times\mathbf{1} | |||
=\frac{1}{2}\mathbf{1}\times(\vec{u}\times\mathbf{1}) | |||
</math> | |||
:<math>\vec u\times(\vec v\times\mathbf1) | |||
=(\vec u\times\mathbf1)\cdot(\vec v\times\mathbf1) | |||
=\vec v\otimes\vec u-(\vec u\cdot\vec v)\mathbf1 | |||
</math> | |||
:<math>\vec u\times(\vec v\times\mathbf1)\cdot\vec w | |||
=\vec u\times(\vec v\times\vec w) | |||
=(\vec u\cdot\vec w)\vec v-(\vec u\cdot\vec v)\vec w | |||
</math> | |||
Potenzen von <math>[\vec{u}]_\times=\vec{u}\times\mathbf{1}</math> | |||
:<math> | |||
[\vec{u}]_\times^2=[\vec{u}]_\times\cdot[\vec{u}]_\times | |||
=\vec{u}\otimes\vec{u}-(\vec{u}\cdot\vec{u})\mathbf{1} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
[\vec{u}]_\times^3=-(\vec{u}\cdot\vec{u})[\vec{u}]_\times | |||
</math> | |||
=== Deviatorische Tensoren === | |||
{{Siehe auch|Deviator}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:\quad | |||
\mathrm{Sp}(\mathbf{A})=0</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A}) | |||
=\left(\mathbf{A}^2\right)^\top+\mathrm{I}_2(\mathbf{A})\mathbf1 | |||
=\left(\mathbf{A}^2\right)^\top-\frac12\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)\mathbf1 | |||
</math> | |||
[[#Hauptinvarianten]]: | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A}):=0</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A})=-\frac12\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})=\frac13\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^3)</math> | |||
Bezüglich der Standardbasis: | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
= A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j | |||
=\begin{pmatrix} | |||
A_{11}& A_{12}& A_{13}\\ | |||
A_{21}& A_{22}& A_{23}\\ | |||
A_{31}& A_{32}& -A_{11}-A_{22} | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=0</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
= -A_{11}^2 - A_{22}^2 - A_{11}A_{22} | |||
- A_{12}A_{21}- A_{13}A_{31}- A_{23}A_{32}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}(A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j) | |||
=&-A_{11}(A_{11}A_{22}+A_{22}^2+A_{23}A_{32}) | |||
\\&+A_{12}(A_{23}A_{31}+A_{21}A_{11}+A_{21}A_{22}) | |||
\\&+A_{13}(A_{21}A_{32}-A_{22}A_{31}) | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\parallel A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\parallel | |||
=\sqrt{\begin{array}{r}2 A_{11}^{2}+ 2 A_{22}^{2}+2 A_{11}A_{22} | |||
+A_{12}^{2}+A_{21}^{2}+\ldots | |||
\\ | |||
\ldots+A_{13}^{2}+A_{31}^{2}+A_{23}^{2}+A_{32}^{2}\end{array} | |||
}</math> | |||
=== Kugeltensoren === | |||
{{Siehe auch|Kugeltensor}} | |||
Definition | |||
:<math>\mathbf{A}:\quad\mathbf{A}= a\mathbf{1} | |||
=\begin{pmatrix} | |||
a & 0 & 0\\ | |||
0 & a & 0\\ | |||
0 & 0 & a | |||
\end{pmatrix} | |||
</math> | |||
Kofaktor: <math>\mathrm{cof}(\mathbf{A})=\mathrm{adj}(\mathbf{A})=a^2\mathbf1</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A})=3 a</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A})= 3 a^2</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A})= a^3</math> | |||
:<math>\parallel\mathbf{A}\parallel =\sqrt{3}|a| | |||
</math> | |||
== Dekompositionen eines Tensors == | |||
Gegeben ein beliebiger Tensor <math>\mathbf{A}=A_{ij}\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j</math> | |||
=== Symmetrischer Anteil === | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{S}=\mathrm{sym}(\mathbf{A}) | |||
:=\frac{1}{2}(\mathbf{A}+\mathbf{A}^\top)</math> | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{S} | |||
=\frac{1}{2}\begin{pmatrix} | |||
2 A_{11}& A_{12}+A_{21}& A_{13}+A_{31}\\ | |||
A_{12}+A_{21}& 2 A_{22}& A_{23}+A_{32}\\ | |||
A_{13}+A_{31}& A_{23}+A_{32}& 2 A_{33} | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\mathrm{S}) | |||
=\mathrm{Sp}(\mathbf{A}) | |||
=A_{11}+A_{22}+A_{33}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{A}^\mathrm{S}) | |||
=&\frac12\mathrm{I}_2(\mathbf{A})+\frac14\mathrm{Sp}^2(\mathbf{A}) | |||
-\frac14\mathbf{A:A} | |||
\\=& | |||
A_{11}A_{22}+ A_{11}A_{33}+ A_{22}A_{33} | |||
\\& | |||
-\frac14\left[(A_{12}+A_{21})^2+(A_{13}+ A_{31})^2+(A_{23}+ A_{32})^2\right] | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}(\mathbf{A}^\mathrm{S}) | |||
=&\frac14\mathrm{det}(\mathbf{A})+\frac14\mathbf{A}:\mathrm{adj}(\mathbf{A}) | |||
\\=& | |||
A_{11}A_{22}A_{33} | |||
+\frac{1}{4}(A_{12}+ A_{21})(A_{23}+ A_{32})(A_{13}+ A_{31}) | |||
\\ | |||
& -\frac{1}{4}\left[A_{11}(A_{23}+ A_{32})^2 | |||
+A_{22}(A_{13}+ A_{31})^2+A_{33}(A_{12}+ A_{21})^2\right] | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\parallel(\mathbf{A}^\mathrm{S})\parallel | |||
=&\sqrt{\mathbf{A:A}^\mathrm{S}} | |||
\\=& | |||
\sqrt{A_{11}^2 + A_{22}^2 + A_{33}^2 | |||
+\frac{1}{2} [(A_{12}+ A_{21})^2 +(A_{13}+ A_{31})^2 | |||
+(A_{23}+ A_{32})^2] } | |||
\end{align}</math> | |||
=== Schiefsymmetrischer Anteil === | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{A}=\mathrm{skw}(\mathbf{A}) | |||
:=\frac{1}{2}(\mathbf{A}-\mathbf{A}^\top)</math> | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{A} | |||
=\frac{1}{2}\begin{pmatrix} | |||
0 & A_{12}-A_{21}& A_{13}-A_{31}\\ | |||
A_{21}-A_{12}& 0 & A_{23}-A_{32}\\ | |||
A_{31}-A_{13}& A_{32}-A_{23}& 0 | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\mathrm{A})= 0 | |||
</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{A}^\mathrm{A}) | |||
=&\frac14\left[\mathbf{A:A}-\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^2)\right] | |||
\\=& | |||
\frac{1}{4}\left[(A_{12}-A_{21})^2 +(A_{13}-A_{31})^2+(A_{23}-A_{32})^2\right] | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A}^\mathrm{A})=0</math> | |||
:<math>\parallel\mathbf{A}^\mathrm{A}\parallel | |||
=\sqrt{\mathbf{A:A}^\mathrm{A}} | |||
=\sqrt{\frac{1}{2}} | |||
\sqrt{(A_{12}-A_{21})^2+(A_{13}-A_{31})^2+(A_{32}-A_{23})^2} | |||
</math> | |||
=== Deviator === | |||
{{Siehe auch|Deviator}} | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{D}=\mathrm{dev}(\mathbf{A}) | |||
:=\mathbf{A}-\frac{1}{3}\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{1}</math> | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{D} | |||
=\begin{pmatrix} | |||
\frac{2A_{11}-A_{22}-A_{33}}{3}&A_{12}&A_{13}\\ | |||
A_{21}&\frac{2A_{22}-A_{11}-A_{33}}{3}&A_{23}\\ | |||
A_{31}&A_{32}&\frac{2A_{33}-A_{11}-A_{22}}{3} | |||
\end{pmatrix}</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\mathrm{D})= 0</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{I}_2(\mathbf{A}^\mathrm{D}) | |||
=&\mathrm{I}_2(\mathbf A)-\frac13\mathrm{Sp}^2(\mathbf A) | |||
=\frac16\mathrm{Sp}^2(\mathbf A)-\frac12\mathrm{Sp}(\mathbf A^2) | |||
\\=& | |||
\frac{1}{3}(A_{11}A_{22}+A_{11}A_{33}+A_{22}A_{33}-A_{11}^2-A_{22}^2-A_{33}^2) | |||
\\& | |||
-A_{12}A_{21}-A_{13}A_{31}-A_{23}A_{32} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math>\begin{align} | |||
\mathrm{det}(\mathbf{A}^\mathrm{D}) | |||
=&\mathrm{det}(\mathbf{A})+\frac{2}{27}\mathrm{Sp}^3(\mathbf{A}) | |||
-\frac13\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathrm{I}_2(\mathbf{A}) | |||
\\=& | |||
\frac{1}{27}\Big[12A_{11}A_{22}A_{33} | |||
+2(A_{11}^3+A_{22}^3+A_{33}^3)\ldots | |||
\\& | |||
\qquad\ldots-3A_{11}^2(A_{22}+A_{33}) | |||
-3A_{22}^2(A_{11}+A_{33}) | |||
-3A_{33}^2(A_{11}+A_{22})\Big] | |||
\\ | |||
&-\frac{1}{3}\Big[(2A_{11}-A_{22}-A_{33})A_{23}A_{32} | |||
+(2A_{22}-A_{11}-A_{33})A_{13}A_{31}+\ldots | |||
\\& | |||
\qquad\ldots+(2A_{33}-A_{11}-A_{22})A_{12}A_{21}\Big] | |||
\\& | |||
+A_{13}A_{32}A_{21}+A_{12}A_{23}A_{31} | |||
\end{align}</math> | |||
:<math> | |||
\parallel\mathbf{A}^\mathrm{D}\parallel | |||
= | |||
\sqrt{\begin{array}{r} | |||
\frac{2}{3}(A_{11}^2+A_{22}^2+A_{33}^2-A_{11}A_{22}-A_{11}A_{33}-A_{22}A_{33}) | |||
+\ldots | |||
\\ | |||
\ldots+A_{12}^2+A_{21}^2+A_{13}^2+A_{31}^2+A_{23}^2+A_{32}^2 | |||
\end{array}} | |||
</math> | |||
=== Kugelanteil === | |||
{{Siehe auch|Kugeltensor}} | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{K}=\mathrm{sph}(\mathbf{A}) | |||
:=\frac{1}{3}\mathrm{Sp}(\mathbf{A})\mathbf{1}</math> | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{K} | |||
=\frac{1}{3}(A_{11}+A_{22}+A_{33}) | |||
\begin{pmatrix}1& 0& 0\\ | |||
0& 1& 0\\ | |||
0& 0& 1\end{pmatrix} | |||
</math> | |||
:<math>\mathrm{Sp}(\mathbf{A}^\mathrm{K}) | |||
=\mathrm{Sp}(\mathbf{A})= A_{11}+A_{22}+A_{33}</math> | |||
:<math>\mathrm{I}_2(\mathbf{A}^\mathrm{K}) | |||
=\frac13\mathrm{Sp}^2(\mathbf{A}) | |||
=\frac{1}{3}(A_{11}+A_{22}+A_{33})^2</math> | |||
:<math>\mathrm{det}(\mathbf{A}^\mathrm{K}) | |||
=\frac{1}{27}\mathrm{Sp}^3(\mathbf{A}) | |||
=\frac{1}{27}(A_{11}+A_{22}+A_{33})^3</math> | |||
:<math>\parallel\mathbf{A}^\mathrm{K}\parallel | |||
=\frac{1}{\sqrt{3}}|\mathrm{Sp}(\mathbf{A})| | |||
=\frac{1}{\sqrt{3}}|A_{11}+A_{22}+A_{33}|</math> | |||
=== Beziehung zwischen den Anteilen des Tensors === | |||
:<math>\mathbf{A} | |||
=\mathbf{A}^\mathrm{S}+\mathbf{A}^\mathrm{A} | |||
=\mathbf{A}^\mathrm{D}+\mathbf{A}^\mathrm{K}</math> | |||
Symmetrische und schiefsymmetrische Tensoren sind orthogonal zueinander: | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{S}:\mathbf{B}^\mathrm{A} | |||
=0</math> | |||
Deviatoren und Kugeltensoren sind orthogonal zueinander: | |||
:<math>\mathbf{A}^\mathrm{D}:\mathbf{B}^\mathrm{K} | |||
=0</math> | |||
=== Polarzerlegung === | |||
{{Siehe auch|Polarzerlegung}} | |||
Für jeden Tensor '''F''' mit [[#Determinante]] ≠ 0 gibt es [[#Orthogonale Tensoren]] '''Q''' und [[#Symmetrische und positiv definite Tensoren]] '''U''' in eindeutiger Weise, sodass | |||
: '''F''' = '''Q·U''' | |||
Im Fall des [[Deformationsgradient]]en ist '''U''' der rechte [[Strecktensor]], siehe [[#Symmetrische und positiv definite Tensoren]]. Der Anteil '''U''' berechnet sich wie dort angegeben aus | |||
:<math>\mathbf{U}=+\sqrt{\mathbf{F^\top\cdot F}}</math> | |||
Dann ist '''U·U''' = '''F<sup>⊤</sup>·F''' und | |||
:<math>\mathbf{Q}=\mathbf{F\cdot U}^{-1}</math> | |||
Bei det('''F''')=0 ergeben sich '''U''' sowie '''Q''' aus der [[Singulärwertzerlegung]] von '''F''' und '''U''' ist nur noch symmetrisch [[positiv semidefinit]]. | |||
== Projektionen == | |||
=== Punkt auf Gerade === | |||
Gegeben sei die Gerade durch den Punkt <math>\vec{x}</math> mit Richtungsvektor <math>\vec{g}</math> und ein beliebiger anderer Punkt <math>\vec{p}</math>. | |||
Dann ist | |||
:<math>\begin{align} | |||
\vec{p}=&\vec{x}+\vec{a}+\vec{b} | |||
\quad\textsf{mit}\quad | |||
\vec{a}\|\vec{g} | |||
\quad\text{und}\quad | |||
\vec{b}\bot\vec{g} | |||
\\ | |||
\mathbf{G}=&\frac{\vec{g}\otimes\vec{g}}{\vec{g}\cdot\vec{g}} | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\mathbf{G}\cdot\vec{g}=\vec{g} | |||
\,,\quad | |||
(\mathbf{1}-\mathbf{G})\cdot\vec{g}=\vec{0} | |||
\\ | |||
&\vec{n}\cdot\vec{g}= 0 | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\mathbf{G}\cdot\vec{n}=\vec{0} | |||
\,,\quad | |||
(\mathbf{1}-\mathbf{G})\cdot\vec{n}=\vec{n} | |||
\\ | |||
\vec{a}=&\mathbf{G}\cdot(\vec{p}-\vec{x}) | |||
=\frac{\vec{g}\cdot(\vec{p}-\vec{x})}{\vec{g}\cdot\vec{g}}\vec{g} | |||
\\ | |||
\vec{b}=&\left(\mathbf{1}-\mathbf{G}\right) | |||
\cdot(\vec{p}-\vec{x})=\vec{p}-\vec{x}-\vec{a} | |||
\end{align}</math> | |||
Der Punkt <math>\vec{x}+\vec{a}</math> ist die senkrechte Projektion von <math>\vec{p}</math> auf die Gerade. Der Tensor '''G''' extrahiert den Anteil eines Vektors in Richtung von <math>\vec{g}</math> und '''1'''-'''G''' den Anteil senkrecht dazu. | |||
=== Punkt oder Gerade auf Ebene === | |||
Gegeben sei die Ebene durch den Punkt <math>\vec{x}</math> und zwei die Ebene aufspannende Vektoren <math>\vec{u}</math> und <math>\vec{v}\not\!\|\vec{u}</math> sowie ein beliebiger anderer Punkt <math>\vec{p}</math>. Dann verschwindet die Normale | |||
:<math>\hat n=\frac{\vec{u}\times\vec{v}}{|\vec{u}\times\vec{v}|}</math> | |||
nicht. Dann ist | |||
:<math>\begin{align} | |||
\vec{p}=&\vec{x}+\vec{a}+\vec{b} | |||
\quad\textsf{mit}\quad | |||
\vec{a}\bot\hat n | |||
\quad\text{und}\quad | |||
\vec{b}\|\hat n | |||
\\ | |||
\mathbf{P}=&\frac{(\vec{v}\cdot\vec{v})\vec{u}\otimes\vec{u} | |||
-(\vec{u}\cdot\vec{v})(\vec{u}\otimes\vec{v}+\vec{v}\otimes\vec{u}) | |||
+(\vec{u}\cdot\vec{u})\vec{v}\otimes\vec{v}}{(\vec{u}\cdot\vec{u})(\vec{v}\cdot\vec{v}) | |||
-(\vec{u}\cdot\vec{v})^2} | |||
=\mathbf1-\hat n\otimes\hat n | |||
\\ | |||
&\rightarrow\mathbf{P}\cdot\vec{u}=\vec{u} | |||
\,,\quad | |||
\mathbf{P}\cdot\vec{v}=\vec{v} | |||
\,,\quad | |||
\mathbf{P}\cdot\hat n=\vec{0} | |||
\,,\quad | |||
(\mathbf{1}-\mathbf{P})\cdot\hat n=\hat n | |||
\\ | |||
&\rightarrow | |||
\mathbf{P}\cdot(x\vec{u}+ y\vec{v})=x\vec{u}+ y\vec{v} | |||
\quad\text{und}\quad | |||
(\mathbf{1}-\mathbf{P})\cdot(x\vec{u}+ y\vec{v})=\vec{0}\quad\forall x, y\in\R | |||
\\ | |||
\vec{a}=&\mathbf{P}\cdot(\vec{p}-\vec{x}) | |||
\\ | |||
\vec{b}=&(\mathbf{1}-\mathbf{P})\cdot(\vec{p}-\vec{x})=\vec{p}-\vec{x}-\vec{a} | |||
\end{align}</math> | |||
Der Punkt <math>\vec{x}+\vec{a}</math> ist die senkrechte Projektion von <math>\vec{p}</math> auf die Ebene.<ref>J. Hanson: [http://arxiv.org/abs/1103.5263 ''Rotations in three, four, and five dimensions.''] Bei: ''arxiv.org.'' S. 4f.</ref> Der Tensor '''P''' extrahiert den Anteil eines Vektors in der Ebene und '''1'''-'''P''' den Anteil senkrecht dazu. | |||
Die Projektion der Geraden, die durch die Punkte <math>\vec{x}</math> und <math>\vec{p}</math> verläuft, liegt in der Ebene in Richtung des Vektors <math>\vec{a}</math>. | |||
Falls <math>|\vec{u}|=|\vec{v}| = 1</math> und <math>\vec{u}\bot\vec{v}</math> folgt: | |||
:<math> | |||
\hat n=\vec{u}\times\vec{v} | |||
\quad\text{mit}\quad | |||
|\hat n|=1 | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\mathbf{P}=\vec{u}\otimes\vec{u}+\vec{v}\otimes\vec{v} | |||
=\mathbf{1}-\hat n\otimes\hat n | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{a}=(\vec{u}\otimes\vec{u}+\vec{v}\otimes\vec{v})\cdot(\vec{p}-\vec{x}) | |||
=(\mathbf{1}-\hat n\otimes\hat n)\cdot(\vec{p}-\vec{x}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\vec{b}=(\mathbf{1}-\vec{u}\otimes\vec{u} | |||
-\vec{v}\otimes\vec{v})\cdot(\vec{p}-\vec{x}) | |||
=(\hat n\otimes\hat n)\cdot(\vec{p}-\vec{x}) | |||
</math> | |||
== Fundamentaltensor 3. Stufe == | |||
{{Siehe auch|#Permutationssymbol|Epsilon-Tensor}} | |||
Definition: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\stackrel{3}{\mathbf{E}} | |||
:=&\epsilon_{ijk}\,\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\otimes\hat{e}_k | |||
\\ | |||
=&(\hat{e}_j\times\hat{e}_k)\otimes\hat{e}_j\otimes\hat{e}_k | |||
\\ | |||
=&\hat{e}_i\otimes(\hat{e}_k\times\hat{e}_i)\otimes\hat{e}_k | |||
\\ | |||
=&\hat{e}_i\otimes\hat{e}_j\otimes(\hat{e}_i\times\hat{e}_j) | |||
\end{align}</math> | |||
Kreuzprodukt von Vektoren: | |||
:<math> | |||
\vec{u}\times\vec{v} | |||
=\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\vec{u}\otimes\vec{v}) | |||
=\vec v\cdot\stackrel{3}{\mathbf{E}}\cdot\vec u | |||
=-\vec u\cdot\stackrel{3}{\mathbf{E}}\cdot\vec v | |||
=-\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\vec{v}\otimes\vec u) | |||
= -\vec{v}\times\vec{u} | |||
</math> | |||
:<math>\vec{e}_i\times\vec{e}_j =\epsilon_{ijk}\,\hat{e}_k</math> | |||
[[#Kreuzprodukt von Tensoren]], [[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math>\begin{align} | |||
\stackrel{3}{\mathbf{E}}:\mathbf{A} | |||
=&\mathbf{A}:\stackrel{3}{\mathbf{E}} | |||
=-\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\mathbf{A}^\top) | |||
=-(\mathbf{A}^\top):\stackrel{3}{\mathbf{E}} | |||
\\ | |||
=&\mathbf{1}\times\mathbf{A}^\top | |||
=\mathbf{1}\cdot\!\!\times\mathbf{A} | |||
\end{align}</math> | |||
[[#Dualer axialer Vektor]] und [[#Vektorinvariante]]: | |||
:<math> | |||
\stackrel{3}{\mathbf{E}}:\mathbf{A} | |||
=-2\stackrel{A}{\overrightarrow{\mathbf{A}}} | |||
=\vec{\mathrm{i}}(\mathbf{A}) | |||
</math> | |||
[[#Kreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}\times\mathbf{B}=\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\mathbf{A\cdot B}^\top) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
(A_{ik}\vec{e}_i\otimes\vec{e}_k)\times | |||
(B_{jl}\vec{e}_j\otimes\vec{e}_l) | |||
= | |||
A_{ik}B_{jk}\vec{e}_i\times\vec{e}_j | |||
= | |||
\epsilon_{ijk}A_{jl}B_{kl}\vec{e}_i | |||
</math> | |||
[[#Skalarkreuzprodukt von Tensoren]]: | |||
:<math> | |||
\mathbf{A}\cdot\!\!\times\mathbf{B} | |||
=\stackrel{3}{\mathbf{E}}:(\mathbf{A\cdot B}) | |||
</math> | |||
:<math> | |||
(A_{ik}\vec{e}_i\otimes\vec{e}_k)\cdot\!\!\times | |||
(B_{lj}\vec{e}_l\otimes\vec{e}_j) | |||
= | |||
A_{ik}B_{kj}\vec{e}_i\times\vec{e}_j | |||
= | |||
\epsilon_{ijk}A_{jl}B_{lk}\vec{e}_i | |||
</math> | |||
[[#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix]]: | |||
:<math>\stackrel{3}{\mathbf{E}}\cdot\vec{u} | |||
=\vec{u}\cdot\stackrel{3}{\mathbf{E}} | |||
= -\vec{u}\times\mathbf{1} | |||
= -\mathbf{1}\times\vec{u} | |||
</math> | |||
== Tensoren vierter Stufe == | |||
Tensoren zweiter Stufe sind ebenfalls Elemente eines Vektorraums <math>\mathcal{L}</math> wie im Abschnitt [[#Tensoren als Elemente eines Vektorraumes]] dargestellt. Daher kann man Tensoren vierter Stufe definieren, indem man in dem Kapitel formal die Tensoren zweiter Stufe durch Tensoren vierter Stufe und die Vektoren durch Tensoren zweiter Stufe ersetzt, z. B.: | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}} | |||
=A_{pq}(\mathbf{A}_p\otimes\mathbf{G}_q)</math> | |||
mit Komponenten <math>A_{pq}</math> und die Tensoren <math>\mathbf{A}_1,\mathbf{A}_2,\ldots,\mathbf{A}_{9}\in\mathcal{L}</math> sowie <math>\mathbf{G}_1,\mathbf{G}_2,\ldots,\mathbf{G}_{9}\in\mathcal{L}</math> bilden eine Basis von <math>\mathcal{L}</math>. | |||
Standardbasis in <math>\mathcal{L}</math>: | |||
:<math>\mathbf{E}_1=\vec{e}_1\otimes\vec{e}_1, | |||
\mathbf{E}_2=\vec{e}_1\otimes\vec{e}_2, | |||
\mathbf{E}_3=\vec{e}_1\otimes\vec{e}_3, | |||
\mathbf{E}_{4}=\vec{e}_2\otimes\vec{e}_1, | |||
\ldots, | |||
\mathbf{E}_{9}=\vec{e}_3\otimes\vec{e}_3</math> | |||
Tensortransformation: | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}:\mathbf{H} | |||
=A_{pq}(\mathbf{A}_p\otimes\mathbf{G}_q):\mathbf{H}: | |||
=A_{pq}(\mathbf{G}_q:\mathbf{H})\mathbf{A}_p</math> | |||
Tensorprodukt: | |||
:<math> [A_{pq}(\mathbf{A}_p\otimes\mathbf{G}_q)]: | |||
[B_{rs}(\mathbf{H}_r\otimes\mathbf{U}_s)] | |||
:=A_{pq}(\mathbf{G}_q:\mathbf{H}_r)B_{rs} | |||
\mathbf{A}_p\otimes\mathbf{U}_s</math> | |||
Übliche Schreibweisen für Tensoren vierter Stufe: | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}=\mathbb{A} | |||
=A_{ijkl}\;\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l | |||
</math> | |||
=== Transpositionen === | |||
Transposition: | |||
:<math>(\mathbf{A}\otimes\mathbf{B})^\top | |||
=\mathbf{B}\otimes\mathbf{A}</math> | |||
:<math>(A_{ijkl}\;\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l)^\top | |||
:= A_{ijkl}\;\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l\otimes\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j | |||
</math> | |||
Spezielle Transposition <math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}{}^{\stackrel{mn}{\top}}</math> vertauscht <math>m</math>-tes mit <math>n</math>-tem Basissystem. | |||
Beispielsweise: | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}{}^{\stackrel{13}{\top}} | |||
:= A_{ijkl}\;\vec{e}_k\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_i\otimes\vec{e}_l | |||
</math> | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}{}^{\stackrel{24}{\top}} | |||
:= A_{ijkl}\;\vec{e}_i\otimes\vec{e}_l\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_j | |||
</math> | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}\,^\top | |||
=\left(\stackrel{4}{\mathbf{A}}{}^{\stackrel{13}{\top}}\right) | |||
{}^{\stackrel{24}{\top}} | |||
= A_{ijkl}\;\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l\otimes\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j | |||
</math> | |||
=== Symmetrische Tensoren vierter Stufe === | |||
Definition: <math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}=\stackrel{4}{\mathbf{A}}{}^\top</math> | |||
Dann gilt: <math>\stackrel{4}{\mathbf{A}}:\mathbf{B}=\mathbf{B}:\stackrel{4}{\mathbf{A}}</math> | |||
=== Einheitstensor vierter Stufe === | |||
:<math>\begin{align} | |||
\stackrel{4}{\mathbf{1}} | |||
:=&\mathbf{E}_p\otimes\mathbf{E}_p | |||
=\stackrel{4}{\mathbf{1}}{}^\top | |||
=(\mathbf{1}\otimes\mathbf{1})\,^{\stackrel{23}{\top}} | |||
\\ | |||
=&\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j | |||
=\delta_{ik}\delta_{jl} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\end{align}</math> | |||
=== Spezielle Tensoren vierter Stufe === | |||
Für beliebige Tensoren zweiter Stufe '''A''' gilt: | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=\mathbf{E}_p^\top\otimes\mathbf{E}_p | |||
=\delta_{il}\delta_{jk} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{A} | |||
=\mathbf{A}^\top | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=\frac{1}{3}\mathbf{1}\otimes\mathbf{1} | |||
=\frac{1}{3}\delta_{ij}\delta_{kl} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{A} | |||
=\mathbf{A}^\mathrm{K} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=\stackrel{4}{\mathbf{1}}-\frac{1}{3}\mathbf{1}\otimes\mathbf{1} | |||
=(\delta_{ik}\delta_{jl}-\frac{1}{3}\delta_{ij}\delta_{kl}) | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{A} | |||
=\mathbf{A}^\mathrm{D} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=\frac{1}{2}\left( | |||
\stackrel{4}{\mathbf{1}} | |||
+\mathbf{E}_p^\top\otimes\mathbf{E}_p | |||
\right) | |||
=\frac{1}{2}(\delta_{ik}\delta_{jl}+\delta_{il}\delta_{jk}) | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{A} | |||
=\mathbf{A}^\mathrm{S} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=\frac{1}{2}\left( | |||
\stackrel{4}{\mathbf{1}}- | |||
\mathbf{E}_p^\top\otimes\mathbf{E}_p | |||
\right) | |||
=\frac{1}{2}(\delta_{ik}\delta_{jl}-\delta_{il}\delta_{jk}) | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{A} | |||
=\mathbf{A}^\mathrm{A} | |||
</math> | |||
Diese fünf Tensoren sind sämtlich symmetrisch. | |||
Mit beliebigen Tensoren zweiter Stufe '''A, B''' und '''G''' gilt: | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=(\mathbf{A}\otimes\mathbf{B}^\top)^{\stackrel{23}{\top}} | |||
=A_{ik}B_{lj} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | |||
=\mathbf{A\cdot G\cdot B} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=(\mathbf{A}^\top\otimes\mathbf{B}^\top)^{\stackrel{23}{\top}} | |||
=A_{ki}B_{lj} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | |||
=\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{G\cdot B} | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=(\mathbf{A}\otimes\mathbf{B})^{\stackrel{23}{\top}} | |||
=A_{ik}B_{jl} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | |||
=\mathbf{A\cdot G\cdot B}^\top | |||
</math> | |||
:<math> | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=(\mathbf{A}^\top\otimes\mathbf{B})^{\stackrel{23}{\top}} | |||
=A_{ki}B_{jl} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\rightarrow | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | \stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | ||
=\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{G\cdot B}^\top | |||
\\ | </math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
In dem in diesen Formeln im Tensor vierter Stufe '''B''' durch '''B'''<sup>⊤</sup> und die Transpositionen <math>\stackrel{23}{\top}</math> durch <math>\stackrel{24}{\top}</math> ersetzt werden, entstehen die Ergebnisse mit transponiertem '''G''': | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l ) | :<math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | =(\mathbf{A}\otimes\mathbf{B})^{\stackrel{24}{\top}} | ||
=A_{il}B_{kj} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | \rightarrow | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | |||
=\mathbf{A\cdot G}^\top\cdot\mathbf{B} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l ) | </math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | :<math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
\cdot\mathbf{B}^\top | =(\mathbf{A}^\top\otimes\mathbf{B})^{\stackrel{24}{\top}} | ||
=A_{li}B_{kj} | |||
(\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | |||
=== Invertierungsformel === | \rightarrow | ||
:<math>\left( | \stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | ||
a\stackrel{4}{\mathbf{ | =\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{G}^\top\cdot\mathbf{B} | ||
=\ | </math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{ | |||
\mathbf{B}\otimes\mathbf{C}\right)</math> | :<math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
=== Hooke'sches Gesetz === | =(\mathbf{A}\otimes\mathbf{B}^\top)^{\stackrel{24}{\top}} | ||
{{ | =A_{il}B_{jk} | ||
Mit den Spannungen <math>\mathbf{T}</math> und den Dehnungen <math>\mathbf{E}</math> im Hooke'schen Gesetz gilt: | (\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | ||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{C}} | \rightarrow | ||
:=2\mu\stackrel{4}{\mathbf{ | \stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | ||
\quad\rightarrow\quad | =\mathbf{A\cdot G}^\top\cdot\mathbf{B}^\top | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{E}=\mathbf{T}</math> | </math> | ||
mit den [[Lamé-Konstanten]] <math>\lambda</math> und <math>\mu</math>. Dieser [[Elastizitätstensor]] ist symmetrisch. | :<math> | ||
\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
Invertierungsformel mit <math>a=2\mu</math>, <math>\mathbf{B} | =(\mathbf{A}^\top\otimes\mathbf{B}^\top)^{\stackrel{24}{\top}} | ||
=\lambda\mathbf{ | =A_{li}B_{jk} | ||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{S}}: | (\vec{e}_i\otimes\vec{e}_j\otimes\vec{e}_k\otimes\vec{e}_l) | ||
=\stackrel{4}{\mathbf{C}}{}^{-1} | \rightarrow | ||
=\ | \stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{G} | ||
-\ | =\mathbf{A}^\top\cdot\mathbf{G}^\top | ||
=\ | \cdot\mathbf{B}^\top | ||
-\ | </math> | ||
\ | |||
\stackrel{4}{\mathbf{S}}:\mathbf{T} | === Invertierungsformel === | ||
=\mathbf{E}</math> | |||
:<math>\left( | |||
mit der [[Querdehnzahl]] <math>\nu</math> und dem [[Elastizitätsmodul]] <math>E</math>. | a\stackrel{4}{\mathbf{1}}+\mathbf{B}\otimes\mathbf{C}\right)^{-1} | ||
=\frac{1}{a}\left( | |||
\stackrel{4}{\mathbf{1}}-\frac{1}{a+\mathbf{B}:\mathbf{C}} | |||
\mathbf{B}\otimes\mathbf{C}\right)</math> | |||
=== Hooke'sches Gesetz === | |||
{{Siehe auch|Hooke'sches Gesetz}} | |||
Mit den Spannungen <math>\mathbf{T}</math> und den Dehnungen <math>\mathbf{E}</math> im Hooke'schen Gesetz gilt: | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{C}} | |||
:=2\mu\stackrel{4}{\mathbf{1}}+\lambda\mathbf{1}\otimes\mathbf{1} | |||
\quad\rightarrow\quad | |||
\stackrel{4}{\mathbf{C}}:\mathbf{E}=\mathbf{T}</math> | |||
mit den [[Lamé-Konstanten]] <math>\lambda</math> und <math>\mu</math>. Dieser [[Elastizitätstensor]] ist symmetrisch. | |||
Invertierungsformel mit <math>a=2\mu</math>, <math>\mathbf{B} | |||
=\lambda\mathbf{1}</math> und <math>\mathbf{C}=\mathbf{1}</math>: | |||
:<math>\begin{align} | |||
&\stackrel{4}{\mathbf{S}}: | |||
=\stackrel{4}{\mathbf{C}}{}^{-1} | |||
=\frac{1}{2\mu}\left(\stackrel{4}{\mathbf{1}} | |||
-\frac{\lambda}{2\mu +3\lambda}\mathbf{1}\otimes\mathbf{1}\right) | |||
=\frac{1}{2\mu}\stackrel{4}{\mathbf{1}} | |||
-\frac{\nu}{E}\mathbf{1}\otimes\mathbf{1} | |||
\\& | |||
\rightarrow\quad | |||
\stackrel{4}{\mathbf{S}}:\mathbf{T}=\mathbf{E} | |||
\end{align}</math> | |||
mit der [[Querdehnzahl]] <math>\nu</math> und dem [[Elastizitätsmodul]] <math>E</math>. | |||
=== Voigt'sche Notation von Tensoren vierter Stufe === | |||
{{Siehe auch|Voigtsche Notation}} | |||
Aus der Basis <math>\mathbf{S}_1,\ldots ,\mathbf{S}_{6}</math> des Vektorraums <math>\mathcal{S}=\mathrm{sym}(\mathbb{V},\mathbb{V})</math> der symmetrischen Tensoren zweiter Stufe, siehe [[#Voigt-Notation symmetrischer Tensoren zweiter Stufe]], kann eine Basis des Vektorraums <math>\stackrel{4}{\mathcal{S}}=\mathrm{Lin}(\mathcal{S},\mathcal{S})</math> der linearen Abbildungen von symmetrischen Tensoren auf symmetrische Tensoren konstruiert werden. Die 36 Komponenten der Tensoren vierter Stufe aus <math>\stackrel{4}{\mathcal{S}}</math> können als [[Voigtsche Notation|Voigt'scher Notation]] in eine 6×6-Matrix einsortiert werden: | |||
:<math>\stackrel{4}{\mathbf{A}} | |||
=A_{uv}\mathbf{S}_u\otimes\mathbf{S}_v | |||
\hat=\begin{bmatrix} | |||
A_{11}& A_{12}& A_{13}& A_{14}& A_{15}& A_{16}\\ | |||
A_{21}& A_{22}& A_{23}& A_{24}& A_{25}& A_{26}\\ | |||
A_{31}& A_{32}& A_{33}& A_{34}& A_{35}& A_{36}\\ | |||
A_{41}& A_{42}& A_{43}& A_{44}& A_{45}& A_{46}\\ | |||
A_{51}& A_{52}& A_{53}& A_{54}& A_{55}& A_{56}\\ | |||
A_{61}& A_{62}& A_{63}& A_{64}& A_{65}& A_{66} | |||
\end{bmatrix} | |||
</math> | |||
Die Vektoren und Matrizen in Voigt'scher Notation können addiert, subtrahiert und mit einem Skalar multipliziert werden. Beim Matrizenprodukt in Voigt'scher Notation muss eine [[Diagonalmatrix]] | |||
:<math>I=\mathrm{diag}(1,1,1,2,2,2)</math> | |||
mit den Einträgen <math>I_{uv}=\mathbf{S}_u:\mathbf{S}_v</math> zwischengeschaltet werden: | |||
:<math>\mathbf{A}:\mathbf{B}=[\mathbf{A}]^\top I[\mathbf{B}] | |||
= A_1 B_1 + A_2 B_2 + A_3 B_3 + 2 A_4 B_4 + 2 A_5 B_5 + 2 A_6 B_6 | |||
</math> | |||
:<math>\left[\stackrel{4}{\mathbf{A}}:\mathbf T\right] | |||
=\left[\stackrel{4}{\mathbf{A}}\right]I[\mathbf T] | |||
</math> | |||
:<math>\left[\stackrel{4}{\mathbf{A}}:\stackrel{4}{\mathbf{B}}\right] | |||
=\left[\stackrel{4}{\mathbf{A}}\right]I\left[\stackrel{4}{\mathbf{B}}\right] | |||
</math> | </math> | ||
Darin steht [x] für die Voigt-Notation von x. | |||
== Einzelnachweise == | == Einzelnachweise == | ||
Zeile 2.423: | Zeile 3.599: | ||
== Literatur == | == Literatur == | ||
* {{Literatur|Autor=Holm Altenbach|Titel=Kontinuumsmechanik. Einführung in die materialunabhängigen und materialabhängigen Gleichungen|Verlag=Springer Vieweg|Ort=Berlin u. a.| | *{{Literatur | ||
* [[Philippe | |Autor=Holm Altenbach | ||
* {{Literatur|Autor=Wolfgang Ehlers|Titel=Ergänzung zu den Vorlesungen | |Titel=Kontinuumsmechanik. Einführung in die materialunabhängigen und materialabhängigen Gleichungen | ||
* {{Literatur|Autor=Ralf Greve|Titel=Kontinuumsmechanik. Ein Grundkurs für Ingenieure und Physiker|Verlag=Springer|Ort=Berlin u. a.| | |Auflage=2. | ||
|Verlag=Springer Vieweg | |||
|Ort=Berlin u. a. | |||
|Datum=2012 | |||
|ISBN=978-3-642-24118-5}} | |||
*{{Literatur | |||
|Autor=[[Philippe Ciarlet]] | |||
|Titel=Mathematical Elasticity | |||
|Band=Band 1: Three-Dimensional Elasticity | |||
|Verlag=North-Holland | |||
|Ort=Amsterdam | |||
|Datum=1988 | |||
|ISBN=0-444-70259-8}} | |||
*{{Literatur | |||
|Autor=Wolfgang Ehlers | |||
|Titel=Ergänzung zu den Vorlesungen Technische Mechanik und Höhere Mechanik | |||
|TitelErg=Vektor- und Tensorrechnung, Eine Einführung | |||
|Datum=2015 | |||
|Online=http://www.mechbau.uni-stuttgart.de/ls2/Downloads/vektortensor.pdf | |||
|Abruf=2020-09-03}} | |||
*{{Literatur | |||
|Autor=Ralf Greve | |||
|Titel=Kontinuumsmechanik. Ein Grundkurs für Ingenieure und Physiker | |||
|Verlag=Springer | |||
|Ort=Berlin u. a. | |||
|Datum=2003 | |||
|ISBN=3-540-00760-1}} | |||
[[Kategorie:Kontinuumsmechanik]] | [[Kategorie:Kontinuumsmechanik]] | ||
[[Kategorie:Formelsammlung|Tensoralgebra]] | [[Kategorie:Formelsammlung|Tensoralgebra]] |
$ {\sqrt[{n}]{x}} $ | Dieser Artikel ist eine Formelsammlung zum Thema Tensoralgebra. Es werden mathematische Symbole verwendet, die im Artikel Liste mathematischer Symbole erläutert werden. |
Diese Formelsammlung fasst Formeln und Definitionen der Tensoralgebra für Tensoren zweiter Stufe in der Kontinuumsmechanik zusammen. Es wird der dreidimensionale Raum zugrunde gelegt.
Formelzeichen | Abschnitt in der Formelsammlung | Wikipedia-Artikel |
---|---|---|
$ \mathbf {I,1} $ | #Einheitstensor | Einheitstensor |
$ \mathbf {Q,R} $ | #Orthogonale Tensoren | Orthogonaler Tensor |
$ \lambda $ | #Eigenwerte | Eigenwertproblem |
$ \delta _{ij} $ | #Kronecker-Delta | Kronecker-Delta |
$ \epsilon _{ijk} $ | #Permutationssymbol | Permutationssymbol |
$ {\stackrel {3}{\mathbf {E} }} $ | #Fundamentaltensor 3. Stufe | Epsilon-Tensor |
$ [{\vec {a}}]_{\times } $ | #Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix | Kreuzprodukt |
$ {\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} }}},\mathbf {A} _{\times } $ | #Dualer axialer Vektor | Kreuzprodukt |
$ {\vec {\mathrm {i} }} $ | #Vektorinvariante | Vektorinvariante |
$ \mathrm {i} $ | Imaginäre Einheit |
Formelzeichen | Abschnitt in der Formelsammlung | Wikipedia-Artikel |
---|---|---|
$ (\cdot )\cdot (\cdot ) $ | Skalarprodukt von Vektoren, #Vektortransformation, #Tensorprodukt | Skalarprodukt |
$ (\cdot )\times (\cdot ) $ | #Kreuzprodukt eines Vektors mit einem Tensor, #Kreuzprodukt von Tensoren | Kreuzprodukt |
$ (\cdot ):(\cdot ) $ | #Skalarprodukt von Tensoren | Frobenius-Skalarprodukt |
$ (\cdot )\otimes (\cdot ) $ | #Dyadisches Produkt | Dyadisches Produkt |
$ (\cdot )\cdot \!\!\times (\cdot ) $ | #Skalarkreuzprodukt von Tensoren | |
$ (\cdot )\times \!\!\times (\cdot ) $ | #Doppeltes Kreuzprodukt von Tensoren | |
$ (\cdot )\#(\cdot ) $ | #Äußeres Tensorprodukt | Äußeres Tensorprodukt |
$ \parallel (\cdot )\parallel $ | #Betrag | Frobeniusnorm |
$ |x|,|{\vec {v}}|,|\mathbf {A} | $ | Betrag der Zahl x oder des Vektors $ {\vec {v}} $, #Determinante des Tensors A | Determinante |
Formelzeichen | Abschnitt in der Formelsammlung | Wikipedia-Artikel |
---|---|---|
$ \mathrm {Sp,tr,I} _{1} $ | #Spur | Spur (Mathematik), Hauptinvariante |
$ \mathrm {I} _{2} $ | #Zweite Hauptinvariante | Hauptinvariante |
$ \mathrm {det,I} _{3},|\mathbf {A} | $ | #Determinante | Determinante, Hauptinvariante |
sym | #Symmetrischer Anteil | Symmetrische Matrix |
skw, skew | #Schiefsymmetrischer Anteil | Schiefsymmetrische Matrix |
adj | #Adjunkte | Adjunkte |
cof | #Kofaktor | Minor (Mathematik)#Kofaktormatrix |
dev | #Deviator | Deviator, Spannungsdeviator |
sph | #Kugelanteil | Kugeltensor |
Formelzeichen | Abschnitt in der Formelsammlung | Wikipedia-Artikel |
---|---|---|
$ (\cdot )_{ij},(\cdot )^{ij},(\cdot )_{j}^{i} $ | #Tensorkomponenten | |
$ (\cdot )^{\top } $ | #Transposition | Transponierte Matrix |
$ (\cdot )^{\stackrel {mn}{\top }} $ | Transpositionen von Tensoren vierter Stufe | |
$ (\cdot )^{-1} $ | #Inverse | Inverse Matrix |
$ (\cdot )^{-\top },(\cdot )^{\top -1} $ | #Transposition der #Inverse | |
$ (\cdot )^{\mathrm {S} } $ | #Symmetrischer Anteil | Symmetrische Matrix |
$ (\cdot )^{\mathrm {A} } $ | #Schiefsymmetrischer Anteil | Schiefsymmetrische Matrix |
$ (\cdot )^{\mathrm {D} } $ | #Deviator | Deviator, Spannungsdeviator |
$ (\cdot )^{\mathrm {K} } $ | #Kugelanteil | Kugeltensor |
$ {\stackrel {n}{(\cdot )}} $ | Tensor n-ter Stufe | |
$ {\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} }}},\mathbf {A} _{\times } $ | #Dualer axialer Vektor | Kreuzprodukt |
Formelzeichen | Elemente |
---|---|
$ \mathbb {R} $ | Reelle Zahlen |
$ \mathbb {C} $ | Komplexe Zahlen |
$ \mathbb {V} $ | Vektoren |
$ {\mathcal {L}}=\mathrm {Lin} (\mathbb {V,V} ) $ | Tensoren zweiter Stufe |
$ {\stackrel {4}{\mathcal {L}}}=\mathrm {Lin} ({\mathcal {L,L}}) $ | #Tensoren vierter Stufe |
Für Summen gilt dann z. B.
Dies gilt für die anderen Indexgruppen entsprechend.
Kreuzprodukt:
Die hier verwendeten Vektoren sind Spaltenvektoren
Drei Vektoren $ {\vec {a}},{\vec {b}},{\vec {c}} $ können spaltenweise in einer 3×3-Matrix $ M $ arrangiert werden:
Die Determinante der Matrix
ist
Also gewährleistet $ {\begin{vmatrix}{\vec {a}}&{\vec {b}}&{\vec {c}}\end{vmatrix}}>0 $, dass die Vektoren $ {\vec {a}},{\vec {b}},{\vec {c}} $ eine rechtshändige Basis bilden.
Die Spaltenvektoren bilden eine Orthonormalbasis, wenn
worin $ M^{\top } $ die transponierte Matrix ist. Bei der hier vorausgesetzten Rechtshändigkeit gilt dann zusätzlich $ |M|=+1 $.
Basisvektoren $ {\vec {g}}_{1},{\vec {g}}_{2},{\vec {g}}_{3} $
Duale Basisvektoren $ {\vec {g}}^{1},{\vec {g}}^{2},{\vec {g}}^{3} $
Beziehungen zwischen den Basisvektoren
mit dem Spatprodukt
Trägt man die Basisvektoren spaltenweise in eine Matrix ein, dann finden sich die dualen Basisvektoren in den Zeilen der Inversen oder den Spalten der #transponiert #Inversen $ ()^{\top -1} $:
In der Standardbasis wie in jeder Orthonormalbasis sind die Basisvektoren $ {\hat {e}}_{1},{\hat {e}}_{2},{\hat {e}}_{3} $ zu sich selbst dual:
Wechsel von
Basis $ {\vec {g}}^{1},{\vec {g}}^{2},{\vec {g}}^{3} $ mit dualer Basis $ {\vec {g}}_{1},{\vec {g}}_{2},{\vec {g}}_{3} $
nach
Basis $ {\vec {h}}^{1},{\vec {h}}^{2},{\vec {h}}^{3} $ mit dualer Basis $ {\vec {h}}_{1},{\vec {h}}_{2},{\vec {h}}_{3} $:
Matrizengleichung:
Die grundlegenden Eigenschaften des dyadischen Produkts „⊗“ sind:
Abbildung $ \mathbb {V} \times \mathbb {V} \to {\mathcal {L}} $
Multiplikation mit einem Skalar:
Distributivität:
Skalarprodukt:
Weitere Eigenschaften von Dyaden siehe #Dyade und den folgenden Abschnitt.
Durch die Eigenschaften des dyadischen Produktes wird $ {\mathcal {L}} $ zu einem euklidischen Vektorraum und entsprechend kann jeder Tensor komponentenweise bezüglich einer Basis von $ {\mathcal {L}} $ dargestellt werden:
Die Dyaden $ \{{\hat {e}}_{i}\otimes {\hat {e}}_{j}|i,j=1,2,3\} $ und $ \{{\vec {a}}_{i}\otimes {\vec {g}}_{j}|i,j=1,2,3\} $ bilden Basissysteme von $ {\mathcal {L}} $.
Abbildung $ {\mathcal {L}}\to {\mathcal {L}} $
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times \mathbb {V} \to \mathbb {V} $ oder $ \mathbb {V} \times {\mathcal {L}}\to \mathbb {V} $
Dyaden:
Allgemeine Tensoren:
Symbolisch:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times {\mathcal {L}}\to {\mathcal {L}} $
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times {\mathcal {L}}\to \mathbb {R} $
Definition über die #Spur:
Eigenschaften:
Abbildung $ \mathbb {V} \times {\mathcal {L}}\to {\mathcal {L}} $ oder $ {\mathcal {L}}\times \mathbb {V} \to {\mathcal {L}} $
Dyaden:
Allgemeine Tensoren:
Symmetrische Tensoren: $ {\vec {a}}\times \mathbf {A} ^{\mathrm {S} }=-\left(\mathbf {A} ^{\mathrm {S} }\times {\vec {a}}\right)^{\top } $
Insbesondere Kugeltensoren: $ {\vec {a}}\times \mathbf {A} ^{\mathrm {K} }=\mathbf {A} ^{\mathrm {K} }\times {\vec {a}}=-({\vec {a}}\times \mathbf {A} ^{\mathrm {K} })^{\top } $
Schiefsymmetrische Tensoren: $ {\vec {a}}\times \mathbf {A} ^{\mathrm {A} }=\left(\mathbf {A} ^{\mathrm {A} }\times {\vec {a}}\right)^{\top } $
#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix mit dem #Einheitstensor:
Mehrfach:
Meistens ist aber:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times {\mathcal {L}}\to \mathbb {V} $
mit #Fundamentaltensor 3. Stufe $ {\stackrel {3}{\mathbf {E} }} $.
Zusammenhang mit #Dualer axialer Vektor und #Vektorinvariante:
Mit #Einheitstensor:
Mehrfachprodukte:
Zusammenhang mit dem #Skalarkreuzprodukt von Tensoren:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times {\mathcal {L}}\to \mathbb {V} $
Das Skalarkreuzprodukt mit dem #Einheitstensor vertauscht das dyadische Produkt durch das Kreuzprodukt:
Allgemein:
Zusammenhang mit dem #Kreuzprodukt von Tensoren:
Zusammenhang mit #Vektorinvariante und #Dualer axialer Vektor:
Siehe auch #Äußeres Tensorprodukt #
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times {\mathcal {L}}\to {\mathcal {L}} $
Abbildung $ {\mathcal {L}}\times {\mathcal {L}}\to {\mathcal {L}} $
Mit der Formel für das Produkt zweier #Permutationssymbole:
Grundlegende Eigenschaften:
Kreuzprodukt und #Kofaktor:
Weitere Eigenschaften:
Aber meistens:
.
Spatprodukt und #Determinante eines Tensors:
Kreuzprodukt und #Kofaktor:
#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix, #Kreuzprodukt von Tensoren, #Skalarkreuzprodukt von Tensoren, #Dualer axialer Vektor und #Vektorinvariante:
Die Komponenten $ A_{ij}^{\ast } $ ergeben sich durch Vor- und Nachmultiplikation mit dem #Einheitstensor $ \mathbf {1} ={\vec {b}}^{i}\otimes {\vec {b}}_{i} $:
Allgemein:
Basiswechsel mit $ \mathbf {1} =({\vec {b}}_{i}\cdot {\vec {a}}^{k}){\vec {b}}^{i}\otimes {\vec {a}}_{k}=({\vec {h}}_{j}\cdot {\vec {g}}^{l}){\vec {h}}^{j}\otimes {\vec {g}}_{l} $:
Definition für einen Tensor A:
Zwei Tensoren A und B sind identisch, wenn
Definition
Wenn λ1,2,3 die #Eigenwerte des Tensors A sind, dann hat cof(A) die Eigenwerte λ1λ2, λ2λ3, λ3λ1.
Weitere Eigenschaften:
Kofaktor und #Äußeres Tensorprodukt:
Kreuzprodukt und Kofaktor:
Definition:
Weitere Eigenschaften:
Definition
Die Inverse ist nur definiert, wenn $ |\mathbf {A} |=\mathrm {det} (\mathbf {A} )=\mathrm {I} _{3}(\mathbf {A} )\neq 0 $
Zusammenhang mit dem adjungierten Tensor $ \mathrm {adj} (\mathbf {A} ) $:
Werden die Spalten von A mit Vektoren bezeichnet, also $ \mathbf {A} ={\begin{pmatrix}{\vec {a}}_{1}&{\vec {a}}_{2}&{\vec {a}}_{3}\end{pmatrix}} $, dann gilt:
Satz von Cayley-Hamilton:
worin $ \mathrm {I} _{1,2,3} $ die drei #Hauptinvarianten sind.
Inverse des transponierten Tensors:
Inverse eines Tensorprodukts:
#Äußeres Tensorprodukt und Inverse einer Summe:
Invertierungsformeln:
mit Eigenwert $ \lambda $ und Eigenvektor $ {\hat {v}} $. Die Eigenvektoren werden auf die Länge eins normiert.
Jeder Tensor hat drei Eigenwerte und drei dazugehörige Eigenvektoren. Mindestens ein Eigenwert und Eigenvektor sind reell. Die beiden anderen Eigenwerte und -vektoren können reell oder komplex sein.
Charakteristische Gleichung
Lösung siehe Cardanische Formeln. Die Koeffizienten sind die #Hauptinvarianten :
Eigenvektoren $ {\vec {v}} $ sind nur bis auf einen Faktor ≠ 0 bestimmt. Der Nullvektor ist kein Eigenvektor.
Bestimmungsgleichung: $ (\mathbf {A} -\lambda \mathbf {1} )\cdot {\vec {v}}={\vec {0}} $
Tensor $ \mathbf {A} =A_{ij}{\hat {e}}_{i}\otimes {\hat {e}}_{j} $:
Bestimmung mit gegebenem/angenommenem $ v_{1} $:
Geometrische Vielfachheit 1:
Geometrische Vielfachheit 2:
Die Formeln bleiben richtig, wenn die Indizes {1,2,3} zyklisch vertauscht werden.
Symmetrischen Tensoren: Für das Betragsquadrat der Komponenten $ v_{ij} $ der auf Betrag 1 normierten Eigenvektoren $ {\vec {v}}_{i} $ des (komplexen) Tensors $ A\in \mathbb {C} ^{n\times n} $ gilt mit dessen Eigenwerten $ \lambda _{i} $ und den Eigenwerten $ \mu _{jk} $ der Hauptuntermatrizen von $ A $:[1]
Sei $ \mathbf {A} =\mathbf {A} ^{\top } $ symmetrisch.
Symmetrische Tensoren haben reelle Eigenwerte und paarweise zueinander senkrechte oder orthogonalisierbare Eigenvektoren, die also eine Orthonormalbasis aufbauen. Die Eigenvektoren werden so nummeriert, dass sie ein Rechtssystem bilden.
Hauptachsentransformation mit Eigenwerten $ \lambda _{i} $ und Eigenvektoren $ {\hat {a}}_{i} $ des symmetrischen Tensors A:
bzw.
Sei $ \mathbf {A} =-\mathbf {A} ^{\top } $ schiefsymmetrisch.
Schiefsymmetrische Tensoren haben einen reellen und zwei konjugiert komplexe, rein imaginäre Eigenwerte. Der reelle Eigenwert von A ist null zu dem ein Eigenvektor gehört, der proportional zur reellen #Vektorinvariante $ {\vec {\mathrm {i} }}(\mathbf {A} ) $ ist. Siehe auch #Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix.
Sei $ a,b,c\in \mathbb {R} $ und $ {\vec {a}}_{1},{\vec {a}}_{2},{\vec {a}}_{3}\in \mathbb {R} ^{3} $ eine Basis und $ {\vec {a}}^{1},{\vec {a}}^{2},{\vec {a}}^{3} $ die dazu duale Basis.
Der Tensor
hat die Eigenwerte
und Eigenvektoren
Der #transponierte Tensor hat dieselben Eigenwerte zu den dualen Eigenvektoren
Der Tensor
hat die Eigenwerte
und Eigenvektoren
Der #transponierte Tensor hat dieselben Eigenwerte zu den Eigenvektoren
Die #Eigenwerte $ \lambda _{1},\lambda _{2},\lambda _{3} $ sind Invarianten.
#Spur: | I1(A), Sp(A) |
#Zweite Hauptinvariante: | I2(A) |
#Determinante: | I3(A), det(A), │A│ |
Die Hauptinvarianten des Tensors A sind die Koeffizienten seines charakteristischen Polynoms:
Spezialfall:
Satz von Cayley-Hamilton:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\to \mathbb {R} $
mit #Eigenwerten λ1,2,3 von A.
Linearität: $ x,y\in \mathbb {R} \rightarrow \quad \mathrm {Sp} (x\mathbf {A} +y\mathbf {B} )=x\mathrm {Sp} (\mathbf {A} )+y\mathrm {Sp} (\mathbf {B} ) $
In Komponenten:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\to \mathbb {R} $
mit #Eigenwerten λ1,2,3 von A.
In Komponenten:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\to \mathbb {R} $
mit #Eigenwerten λ1,2,3 von A.
Determinantenproduktsatz:
Multiplikation mit Skalaren $ x\in \mathbb {R} $:
In Komponenten:
Zusammenhang mit den anderen Hauptinvarianten:
Zusammenhang mit dem Spatprodukt:
Zusammenhang mit #Äußeres Tensorprodukt:
Zusammenhang mit dem #Kofaktor:
Abbildung $ {\mathcal {L}}\to \mathbb {R} $
Falls $ \mathbf {A} =\mathbf {A} ^{\top } $:
Falls $ \mathbf {A} =-\mathbf {A} ^{\top } $:
Für #Schiefsymmetrische Tensoren $ \mathbf {A} =-\mathbf {A} ^{\top }=\mathbf {A} ^{\mathrm {A} } $ gibt es einen dualen axialen Vektor $ {\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} }}} $ für den gilt:
Der duale axiale Vektor ist proportional zur #Vektorinvariante:
Berechnung mit #Fundamentaltensor 3. Stufe $ {\stackrel {3}{\mathbf {E} }} $, #Kreuzprodukt von Tensoren oder #Skalarkreuzprodukt von Tensoren:
#Symmetrische Tensoren und #Kugeltensoren haben keinen dualen axialen Vektor: $ {\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} ^{\mathrm {S} }}}}={\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} ^{\mathrm {K} }}}}={\vec {0}} $
Ein #Symmetrischer Anteil oder #Kugelanteil trägt nichts zum dualen axialen Vektor bei: $ {\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} }}}={\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} ^{\mathrm {D} }}}}={\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {A} ^{\mathrm {A} }}}} $
Seien x eine beliebige Zahl, $ {\vec {u}},\,{\vec {v}} $ beliebige Vektoren und A, B beliebige Tensoren zweiter Stufe. Dann gilt:
Darin ist „#“ ein #Äußeres Tensorprodukt, cof(·) ist der #Kofaktor.
Zusammenhang mit dem #Skalarkreuzprodukt von Tensoren:
#Symmetrische Tensoren haben keine Vektorinvariante: $ {\vec {\mathrm {i} }}(\mathbf {A} ^{\mathrm {S} })={\vec {0}} $
Die Eigenschaften des dualen axialen Vektors sind hierher übertragbar. Seien x eine beliebige Zahl, $ {\vec {u}},\,{\vec {v}} $ beliebige Vektoren und A, B beliebige Tensoren zweiter Stufe. Dann gilt:
Darin ist „#“ ein #Äußeres Tensorprodukt, cof(·) ist der #Kofaktor.
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\mathbf {0} $
Gegeben ein beliebiger Tensor 2. Stufe A. Dieser kann immer als Summe dreier Dyaden dargestellt werden:
mit Spaltenvektoren $ {\vec {s}}_{j}=A_{ij}{\hat {e}}_{i}=\mathbf {A} \cdot {\hat {e}}_{j} $, Zeilenvektoren $ {\vec {z}}_{i}=A_{ij}{\hat {e}}_{j}={\hat {e}}_{i}\cdot \mathbf {A} $ und $ {\vec {g}}_{k}=({\vec {a}}^{k}\cdot {\hat {e}}_{i})A_{ij}{\hat {e}}_{j}={\vec {a}}^{k}\cdot \mathbf {A} $.
#Hauptinvarianten ($ x_{m,n}:={\vec {x}}_{m}\cdot {\hat {e}}_{n} $):
mit $ g_{ij}={\vec {g}}_{i}\cdot {\vec {g}}_{j}\,,\;g^{ij}={\vec {g}}^{i}\cdot {\vec {g}}^{j} $
Allgemein:
#Transposition und #Inverse:
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {1} )=\mathbf {1} $
Vektortransformation
Tensorprodukt
Skalarprodukt
Alle Vektoren sind #Eigenvektoren.
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {H} )=\mathbf {H} ^{\top -1} $
Determinantenproduktsatz:
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {Q} )=\mathrm {det} (\mathbf {Q} )\mathbf {Q} =\pm \mathbf {Q} $
#Invarianten ($ \alpha $ ist der Drehwinkel):
Eigentlich orthogonaler Tensor $ \mathrm {det} (\mathbf {Q} )=+1 $, entspricht einer Drehung.
Uneigentlich orthogonaler Tensor $ \mathrm {det} (\mathbf {Q} )=-1 $, entspricht einer Drehspiegelung.
Spatprodukt:
Kreuzprodukt und #Kofaktor:
Gegeben ein Einheitsvektor $ {\hat {n}}={\begin{pmatrix}n_{1}&n_{2}&n_{3}\end{pmatrix}}^{\top } $ und Drehwinkel α. Dann sind die folgenden Tensoren R zueinander gleich, orthogonal und drehen um die Achse $ {\hat {n}} $ mit Winkel α:
Rodrigues-Formel:
mit $ c_{\alpha }=\cos(\alpha ),\;d_{\alpha }=1-\cos(\alpha ),\;s_{\alpha }=\sin(\alpha ) $.
Euler-Rodrigues-Formel: $ a=\cos \left({\tfrac {\alpha }{2}}\right),b=\sin \left({\tfrac {\alpha }{2}}\right)n_{1},c=\sin \left({\tfrac {\alpha }{2}}\right)n_{2},d=\sin \left({\tfrac {\alpha }{2}}\right)n_{3} $ also $ a^{2}+b^{2}+c^{2}+d^{2}=1 $:
Formulierung mit Drehvektor:
Drehvektor | Orthogonaler Tensor | |
$ {\vec {\alpha }}=\alpha {\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +{\frac {\sin(\alpha )}{\alpha }}{\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +{\frac {1-\cos(\alpha )}{\alpha ^{2}}}({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2} $ |
$ {\vec {\alpha }}=\tan(\alpha ){\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +\cos(\alpha ){\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +{\frac {\cos ^{2}(\alpha )}{1+\cos(\alpha )}}({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2} $ |
$ {\vec {\alpha }}=\tan \left({\frac {\alpha }{2}}\right)\;{\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +{\frac {2}{1+{\vec {\alpha }}\cdot {\vec {\alpha }}}}({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2}) $ |
$ {\vec {\alpha }}=\sin(\alpha )\;{\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +{\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +{\dfrac {1}{1+\cos(\alpha )}}({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2} $ |
$ {\vec {\alpha }}=\sin \left({\frac {\alpha }{2}}\right)\;{\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +2\cos \left({\frac {\alpha }{2}}\right){\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +2({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2} $ |
$ {\vec {\alpha }}=\cos(\alpha )\;{\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +\tan(\alpha ){\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +{\frac {1-\cos(\alpha )}{{\vec {\alpha }}\cdot {\vec {\alpha }}}}({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2} $ |
$ {\vec {\alpha }}=\cos \left({\frac {\alpha }{2}}\right)\;{\vec {n}} $ | → | $ \mathbf {R} =\mathbf {1} +2\sin \left({\frac {\alpha }{2}}\right){\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} +2{\frac {1-{\vec {\alpha }}\cdot {\vec {\alpha }}}{{\vec {\alpha }}\cdot {\vec {\alpha }}}}({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2} $ |
Darin ist $ ({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )^{2}=({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )\cdot ({\vec {\alpha }}\times \mathbf {1} )={\vec {\alpha }}\otimes {\vec {\alpha }}-({\vec {\alpha }}\cdot {\vec {\alpha }})\mathbf {1} $
Beispiel für Drehspiegelung:
Drehung von Vektorraumbasis $ {\vec {u}}_{1,2,3}\;{\textsf {nach}}\;{\vec {v}}_{1,2,3} $ mit Drehachse $ {\hat {n}} $:
mit #Dualer axialer Vektor $ {\stackrel {A}{\overrightarrow {\mathbf {Q} }}} $ und #Vektorinvariante $ {\vec {\mathrm {i} }}(\mathbf {Q} ) $.
Gegeben Orthonormalbasis $ {\hat {v}}_{1,2,3} $, Drehwinkel $ \alpha $ und $ {\hat {v}}_{1} $ ist Drehachse:
Wenn $ {\hat {v}}_{1,2,3} $ ein Rechtssystem (Mathematik) bilden, dann dreht Q gegen den Uhrzeigersinn, sonst im Uhrzeigersinn um die Drehachse.
Drehwinkel:
Drehachse $ {\hat {n}} $ ist #Vektorinvariante:
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\mathbf {A^{\top }\cdot A^{\top }} -\mathrm {I} _{1}(\mathbf {A} )\mathbf {A} ^{\top }+\mathrm {I} _{2}(\mathbf {A} )\mathbf {1} =\det(\mathbf {A} )\mathbf {A} ^{\top -1} $
Notwendige Bedingungen für positive Definitheit:
Notwendige und hinreichende Bedingung für positive Definitheit: Alle #Eigenwerte von A sind größer als null.
Immer positiv definit falls det(A) ≠ 0:
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\mathrm {adj} (\mathbf {A} )=\mathbf {A} ^{2}-\mathrm {Sp} (\mathbf {A} )\mathbf {A} +\mathrm {I} _{2}(\mathbf {A} )\mathbf {1} $
Bei Symmetrischen Tensoren verschwinden ihr #Dualer axialer Vektor und ihre #Vektorinvariante:
Bilinearform:
Alle #Eigenwerte λ1,2,3 sind reell. Alle #Eigenvektoren $ {\vec {a}}_{1,2,3} $ sind reell und paarweise orthogonal zueinander oder orthogonalisierbar. Hauptachsentransformation:
Bezüglich der Standardbasis:
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\mathrm {adj} (\mathbf {A} )=\mathrm {det} (\mathbf {A} )\mathbf {A} ^{-1}=\mathbf {A} ^{2}-\mathrm {Sp} (\mathbf {A} )\mathbf {A} +\mathrm {I} _{2}(\mathbf {A} )\mathbf {1} $
Mit den #Eigenwerten $ \lambda _{1},\,\lambda _{2},\,\lambda _{3} $, den #Eigenvektoren $ {\hat {a}}_{1},\,{\hat {a}}_{2},\,{\hat {a}}_{3} $ und einer reellwertigen Funktion $ f(x)\in \mathbb {R} $ eines reellen Argumentes $ x\in \mathbb {R} $ definiert man über das #Eigensystem symmetrischer Tensoren
den Funktionswert des Tensors:
Ist f eine mehrdeutige Funktion, wie die Wurzel (Mathematik), mit n alternativen Werten, dann steht f(A) mehrdeutig für n3 alternative Tensoren.
Insbesondere mit dem Deformationsgradient F:
Rechter Strecktensor
Linker Strecktensor
Henky-Dehnung
Die Tensoren
bilden eine Basis im Vektorraum $ \mathrm {sym} (\mathbb {V} ,\mathbb {V} )\subset {\mathcal {L}} $ der symmetrischen Tensoren zweiter Stufe. Bezüglich dieser Basis können alle symmetrischen Tensoren zweiter Stufe in Voigt'scher Notation dargestellt werden:
Diese Vektoren dürfen addiert, subtrahiert und mit einem Skalar multipliziert werden. Beim Skalarprodukt muss
berücksichtigt werden. Siehe auch #Voigt'sche Notation von Tensoren vierter Stufe.
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\mathrm {adj} (\mathbf {A} )=\mathbf {A\cdot A} +\mathrm {I} _{2}(\mathbf {A} )\mathbf {1} =\mathbf {A\cdot A} -{\frac {1}{2}}\mathrm {Sp} (\mathbf {A} ^{2})\mathbf {1} $
In kartesischen Koordinaten:
Bilinearform:
Ein Eigenwert ist null, zwei imaginär konjugiert komplex, siehe #Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix.
mit #Vektorinvariante $ {\vec {\mathrm {i} }}(\mathbf {A} ) $. Der zum Eigenwert null gehörende #Eigenvektor ist proportional zum dualen axialen Vektor $ \mathbf {A} _{\times } $ denn
Kreuzproduktmatrix $ [{\vec {u}}]_{\times } $ eines Vektors $ {\vec {u}} $:
Kofaktor: $ \mathrm {cof} ({\vec {u}}\times \mathbf {1} )=\mathrm {adj} ({\vec {u}}\times \mathbf {1} )={\vec {u}}\otimes {\vec {u}} $
Eigenschaften:
Potenzen von $ [{\vec {u}}]_{\times }={\vec {u}}\times \mathbf {1} $
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\left(\mathbf {A} ^{2}\right)^{\top }+\mathrm {I} _{2}(\mathbf {A} )\mathbf {1} =\left(\mathbf {A} ^{2}\right)^{\top }-{\frac {1}{2}}\mathrm {Sp} (\mathbf {A} ^{2})\mathbf {1} $
Bezüglich der Standardbasis:
Definition
Kofaktor: $ \mathrm {cof} (\mathbf {A} )=\mathrm {adj} (\mathbf {A} )=a^{2}\mathbf {1} $
Gegeben ein beliebiger Tensor $ \mathbf {A} =A_{ij}{\hat {e}}_{i}\otimes {\hat {e}}_{j} $
Symmetrische und schiefsymmetrische Tensoren sind orthogonal zueinander:
Deviatoren und Kugeltensoren sind orthogonal zueinander:
Für jeden Tensor F mit #Determinante ≠ 0 gibt es #Orthogonale Tensoren Q und #Symmetrische und positiv definite Tensoren U in eindeutiger Weise, sodass
Im Fall des Deformationsgradienten ist U der rechte Strecktensor, siehe #Symmetrische und positiv definite Tensoren. Der Anteil U berechnet sich wie dort angegeben aus
Dann ist U·U = F⊤·F und
Bei det(F)=0 ergeben sich U sowie Q aus der Singulärwertzerlegung von F und U ist nur noch symmetrisch positiv semidefinit.
Gegeben sei die Gerade durch den Punkt $ {\vec {x}} $ mit Richtungsvektor $ {\vec {g}} $ und ein beliebiger anderer Punkt $ {\vec {p}} $.
Dann ist
Der Punkt $ {\vec {x}}+{\vec {a}} $ ist die senkrechte Projektion von $ {\vec {p}} $ auf die Gerade. Der Tensor G extrahiert den Anteil eines Vektors in Richtung von $ {\vec {g}} $ und 1-G den Anteil senkrecht dazu.
Gegeben sei die Ebene durch den Punkt $ {\vec {x}} $ und zwei die Ebene aufspannende Vektoren $ {\vec {u}} $ und $ {\vec {v}}\not \!\|{\vec {u}} $ sowie ein beliebiger anderer Punkt $ {\vec {p}} $. Dann verschwindet die Normale
nicht. Dann ist
Der Punkt $ {\vec {x}}+{\vec {a}} $ ist die senkrechte Projektion von $ {\vec {p}} $ auf die Ebene.[2] Der Tensor P extrahiert den Anteil eines Vektors in der Ebene und 1-P den Anteil senkrecht dazu.
Die Projektion der Geraden, die durch die Punkte $ {\vec {x}} $ und $ {\vec {p}} $ verläuft, liegt in der Ebene in Richtung des Vektors $ {\vec {a}} $.
Falls $ |{\vec {u}}|=|{\vec {v}}|=1 $ und $ {\vec {u}}\bot {\vec {v}} $ folgt:
Definition:
Kreuzprodukt von Vektoren:
#Kreuzprodukt von Tensoren, #Skalarkreuzprodukt von Tensoren:
#Dualer axialer Vektor und #Vektorinvariante:
#Skalarkreuzprodukt von Tensoren:
#Axialer Tensor oder Kreuzproduktmatrix:
Tensoren zweiter Stufe sind ebenfalls Elemente eines Vektorraums $ {\mathcal {L}} $ wie im Abschnitt #Tensoren als Elemente eines Vektorraumes dargestellt. Daher kann man Tensoren vierter Stufe definieren, indem man in dem Kapitel formal die Tensoren zweiter Stufe durch Tensoren vierter Stufe und die Vektoren durch Tensoren zweiter Stufe ersetzt, z. B.:
mit Komponenten $ A_{pq} $ und die Tensoren $ \mathbf {A} _{1},\mathbf {A} _{2},\ldots ,\mathbf {A} _{9}\in {\mathcal {L}} $ sowie $ \mathbf {G} _{1},\mathbf {G} _{2},\ldots ,\mathbf {G} _{9}\in {\mathcal {L}} $ bilden eine Basis von $ {\mathcal {L}} $.
Standardbasis in $ {\mathcal {L}} $:
Tensortransformation:
Tensorprodukt:
Übliche Schreibweisen für Tensoren vierter Stufe:
Transposition:
Spezielle Transposition $ {\stackrel {4}{\mathbf {A} }}{}^{\stackrel {mn}{\top }} $ vertauscht $ m $-tes mit $ n $-tem Basissystem.
Beispielsweise:
Definition: $ {\stackrel {4}{\mathbf {A} }}={\stackrel {4}{\mathbf {A} }}{}^{\top } $
Dann gilt: $ {\stackrel {4}{\mathbf {A} }}:\mathbf {B} =\mathbf {B} :{\stackrel {4}{\mathbf {A} }} $
Für beliebige Tensoren zweiter Stufe A gilt:
Diese fünf Tensoren sind sämtlich symmetrisch.
Mit beliebigen Tensoren zweiter Stufe A, B und G gilt:
In dem in diesen Formeln im Tensor vierter Stufe B durch B⊤ und die Transpositionen $ {\stackrel {23}{\top }} $ durch $ {\stackrel {24}{\top }} $ ersetzt werden, entstehen die Ergebnisse mit transponiertem G:
Mit den Spannungen $ \mathbf {T} $ und den Dehnungen $ \mathbf {E} $ im Hooke'schen Gesetz gilt:
mit den Lamé-Konstanten $ \lambda $ und $ \mu $. Dieser Elastizitätstensor ist symmetrisch.
Invertierungsformel mit $ a=2\mu $, $ \mathbf {B} =\lambda \mathbf {1} $ und $ \mathbf {C} =\mathbf {1} $:
mit der Querdehnzahl $ \nu $ und dem Elastizitätsmodul $ E $.
Aus der Basis $ \mathbf {S} _{1},\ldots ,\mathbf {S} _{6} $ des Vektorraums $ {\mathcal {S}}=\mathrm {sym} (\mathbb {V} ,\mathbb {V} ) $ der symmetrischen Tensoren zweiter Stufe, siehe #Voigt-Notation symmetrischer Tensoren zweiter Stufe, kann eine Basis des Vektorraums $ {\stackrel {4}{\mathcal {S}}}=\mathrm {Lin} ({\mathcal {S}},{\mathcal {S}}) $ der linearen Abbildungen von symmetrischen Tensoren auf symmetrische Tensoren konstruiert werden. Die 36 Komponenten der Tensoren vierter Stufe aus $ {\stackrel {4}{\mathcal {S}}} $ können als Voigt'scher Notation in eine 6×6-Matrix einsortiert werden:
Die Vektoren und Matrizen in Voigt'scher Notation können addiert, subtrahiert und mit einem Skalar multipliziert werden. Beim Matrizenprodukt in Voigt'scher Notation muss eine Diagonalmatrix
mit den Einträgen $ I_{uv}=\mathbf {S} _{u}:\mathbf {S} _{v} $ zwischengeschaltet werden:
Darin steht [x] für die Voigt-Notation von x.