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第2章张量(6.8).doc

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第2章张量(6.8)

第2章 张量分析 §2.1矢量空间、基、基矢 1.线性矢量空间 设有个矢量,它们构成一个集合,其中每个矢量称为的一个元素。如唯一地确定的另一个元素,及(为标量)也给定内唯一确定的元素,则称为线性(矢量)空间。中的零元素记为,且具有. 2.空间的维数 设为个标量,若能选取,使得 且不合为零,则称此个矢量线性相关,否则,称为线性无关。 例1 位于同一平面内的两个矢量和(如图)是线性无关的,即 若和为任意值,且不全为零。 例2 位于同一平面内的三个矢量,,是线性相关的,则恒可找到,,(不全为零)使 如图: 集合内线性无关元素的最大个数称为集合或空间的维数。设的维数为,则记为,欧氏空间为。 3.空间的基和基元素 中任意个线性无关元素的全体称为的一个基。基的每个元素称为基元素,由于的确良基元素是线性无关的。于是内任一个元素可表示成基元素的线性组合。设为的任选的基,则有: ,为任意的不全为零的标量 但总可选取及不全等于零,使得 或者 ①不全等于零,所以不全等于零,且为有限值。 ② 内有无限个基,但只有一个基是独立的,因为内至少只有个元素是线性无关的。设及是的两个基,则中的每个基元素都可用的线性组合来表示;反之亦然,因此,中的任两个基元之间存在唯一的变换关系。 ③对于同一个元素,采用不同的基时,其系数不同甘共苦。 因为与间有确定的变换关系,因此,与间亦有确定的变换关系。 ④空间的基往往与坐标系相关连,每一种坐标系有一个与之对应的确定的基,其中则是矢量在基或坐标方向的分量值。 ⑤空间的元素如为矢平日里,则基元素称为基矢。如前所述,不同坐标系的基矢之间存在确定的变换关系,它是坐标变换的基础。 正交基:基内各基矢相互正交的基,称为正交基。 标准正交基:基矢为单位矢量的正交基,称为标准正交基。 现以欧氏空间为例,这是三维空间。 在欧氏空间内,笛卡儿坐标系为标准正交基,记作,在此坐标系内,任一矢量(位矢)为 是不因坐标位置而改变的 当只一个坐标有变化时,例如有变化 此时,,因此,为单位矢量。 都等于1,且彼此正交,故笛卡儿坐标系的基为标准正交基。 正交曲线坐标系的基亦为正交基,记作,用表示坐标值,则基矢定义之 ①随坐标位置而变化,②,因此是正交基,但不是标准正交基。 例如:在极坐标系内 其中,因此,,令(拉梅系数)及 则为正交曲线坐标系的标准化正交基。 因此,显然有 §2.2 字母指标法 1.字母标号法:(标号:index or suffix) 点位置:(矢径) 矢量:(位移) (速度) 应力(张量): 应变(张量): 微分符号: 约定:英文字母下标表示三维指标,取值1,2,3 2.求和约定: 矢量点积: 两矢量分别记为 哑标:在表达式式中等项中,某指标重复出现两次,则表示要把该项指标在取值范围内遍历求和,该重复指标称为“哑标”或“伪标” 哑标的符号可以任意改变(仅表示求和) 线性变换: 上式中,为哑标表示求和,而在每项中只出现一次,称为自由指标。 自由指标表示,若轮流取该指标取值范围内的任一值,关系式恒成立。 自由指标仅表示为轮流换值,因此也可以换标,如,上式可写为 (同时换标) 注意:①自由指标必须整个表达式换名 ②同项中出现两对(或多对)不同哑标表示多重求和。如: ③哑标只能成对出现。否则要如求和号或特别指出(就书中标下加“-”) ④由 不能得出 ⑤若重复出现的标号不求和,应特别声明 §2.3 符号和 1.符号(kronecher delta) 性质:对称性 应用: 2.排列符号(置换符号)(Permutation Symbol) 定义: 性质: 下标改变奇次位置时改变正、负号,下标改变偶数次位置时不改变符号。 应用: 3.之关系(恒等式) 矢量恒等式 设 而 又 根据矢量恒等式,有:(矢量恒等则矢量的各分量应相等) 由于对任意的上式均成立,则: ① 进一步,有: ② ③ §2.4 坐标变换 :老坐标系 :新坐标系( 坐标轴夹角的方向余弦: 构成一个二阶张量 (与一般不同,它是两个坐标系的基矢构成的) 称为转移张量(shifter)(总是新坐标在前,老坐标在后) 性质:① 不是对称张量 而 ② 是正交张量 (*) 又新老坐标系基矢量的关系式: 上面第一式两边乘以 则 上面第二式两边乘以 则 则: 代入(*)式,有 证毕 张量的应用: i)矢量的坐标变换: 又 则: 或 矢量形式为: ii)二阶张

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