Графічне позначення Пенроуза
У математиці та фізиці графічне позначення Пенроуза або тензорна діаграма — це (як правило рукописне) візуальне зображення мультилінійних функцій або тензорів, запропоноване Роджером Пенроузом у 1971 році. [1] Діаграма в нотації складається з кількох фігур, з’єднаних між собою лініями. Нотація була широко вивчена Предрагом Цвітановичем, який використовував її, діаграми Фейнмана та інші пов’язані нотації для розробки нотації «пташиного сліду» (теоретико-групова версія діаграм Фейнмана) для класифікації класичних груп Лі. [2] Позначення Пенроуза також було узагальнено за допомогою теорії представлень до спінових мереж у фізиці та за допомогою груп матриць до діаграм сліду в лінійній алгебрі. Цей графічний запис широко застосовується в сучасній квантовій теорії, зокрема в станах матричного добутку та квантових схемах .
Мовою мультилінійної алгебри кожна фігура представляє мультилінійну функцію. Лінії, прикріплені до фігур, представляють вхідні або вихідні дані функції, а приєднання фігур певним чином є, по суті, композицією функцій.
Мовою тензорної алгебри окремий тензор асоціюється з певною формою з багатьма лініями, які виходять вгору та вниз, що відповідає абстрактним верхнім та нижнім індексам тензору відповідно. Сполучні лінії між двома фігурами відповідають згортці за відповідними індексами. Однією з переваг цієї нотації є те, що не потрібно винаходити нові букви для позначення нових індексів. Ця нотація також явно не залежить від базису. [3]
Кожна фігура представляє матрицю, тензорний добуток позначається горизонтально, а множення матриць виконується вертикально.
Метричний тензор представлений U-подібною петлею або перевернутою U-подібною петлею, залежно від типу тензора, що використовується.
 |  |
Антисиметричний тензор Леві-Чивіти представлений товстою горизонтальною смужкою з ніжками, спрямованими вниз або вгору, залежно від типу тензора, що використовується.
 |  |  |
Структурні константи ( ) алгебри Лі представлені невеликим трикутником з однією лінією, напрямленою вгору, і двома лініями, напрямленими вниз.
Згортка індексів представлена за допомогою з'єднання індексних ліній. Наприклад, наступними є позначення дельти Кронекера та скалярного добутку:
 |  |  |
Симетризація індексів представлена товстою зиґзаґоподібною або хвилястою смужкою, що горизонтально перетинає індексні лінії.
 (де ) |
![{\displaystyle {}_{Q^{ab}=Q^{[ab]}+Q^{(ab)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/dfe6141e87f3bb6bf46b13e6f0df759f36dcf68c)
Антисиметризація індексів представлена товстою прямою смужкою, яка перетинає індексні лінії горизонтально.
 (де ) |
![{\displaystyle E_{[ab\ldots n]}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/58adc5ba5ef08561356cd95bb5819fe124ee5f66)
![{\displaystyle {}_{E_{ab}=E_{[ab]}+E_{(ab)}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c80d0cf553b08549782f76dccacdb1d217343cb7)
Визначник формується шляхом застосування антисиметризації до індексів.
 |  |
Коваріантну похідну ( ) представлено колом навколо тензора (або декількох), що диференціюється, та лінією, з’єднаною з колом, яка вказує вниз, щоб представити нижній індекс похідної.
 |
![{\displaystyle 12\nabla _{a}\left(\xi ^{f}\,\lambda _{fb[c}^{(d}\,D_{gh]}^{e)b}\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/19303966fb76867c7c27fdfa2e39de87ca0b4a48)
![{\displaystyle =12\left(\xi ^{f}(\nabla _{a}\lambda _{fb[c}^{(d})\,D_{gh]}^{e)b}+(\nabla _{a}\xi ^{f})\lambda _{fb[c}^{(d}\,D_{gh]}^{e)b}+\xi ^{f}\lambda _{fb[c}^{(d}\,(\nabla _{a}D_{gh]}^{e)b})\right)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a82bab6d232355cfdc3add53ebabeb01ccd571e6)
Діаграматична нотація корисна для маніпулювання тензорною алгеброю. Зазвичай це включає кілька простих «тотожностей» тензорних маніпуляцій.
Наприклад, , де n є кількістю вимірів, є загальновживаною тотожністю в тензорних маніпуляціях.
Тотожності Річчі та Б’янкі, задані в термінах тензора кривини Рімана, ілюструють потужність такого позначення
 |  |  |  |
![{\displaystyle \nabla _{[a}R_{bc]d}^{\ \ \ e}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3896d2dbc992145ed836177f508a50380f70d023)
Позначення було розширено завдяки спінорам і твісторам . [4] [5]
- ↑ Roger Penrose, "Applications of negative dimensional tensors," in Combinatorial Mathematics and its Applications, Academic Press (1971). See Vladimir Turaev, Quantum invariants of knots and 3-manifolds (1994), De Gruyter, p. 71 for a brief commentary.
- ↑ Predrag Cvitanović (2008). Group Theory: Birdtracks, Lie's, and Exceptional Groups. Princeton University Press.
- ↑ Roger Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe, 2005, ISBN 0-09-944068-7, Chapter Manifolds of n dimensions.
- ↑ Penrose, R.; Rindler, W. (1984). Spinors and Space-Time: Vol I, Two-Spinor Calculus and Relativistic Fields. Cambridge University Press. с. 424—434. ISBN 0-521-24527-3.
- ↑ Penrose, R.; Rindler, W. (1986). Spinors and Space-Time: Vol. II, Spinor and Twistor Methods in Space-Time Geometry. Cambridge University Press. ISBN 0-521-25267-9.