Поговорим немного об индексах в том виде, как они применяются в физике, линейной алгебре и смежных науках. Если кратко, то наша цель ‑- научиться работать с выражениями вида
понимая их достаточно глубоко, а именно как функции на некотором конечном множестве.
Обычно этот материал считается очевидным, и все ограничивается фразой вроде «занумеруем набор компонент таким‑то индексом», поэтому под «достаточно глубоко» я предполагаю именно понимание происходящего в таком виде, чтобы каждый прочитавший мог впоследствии это понимание применить в новой, незнакомой или сложной ситуации.
Функции и отображения в целом
Для начала вспомним понятие функции как частного случая отображения между двумя множествами. Настоятельно рекомендую не пропускать этот небольшой кусок, поскольку он критически важен для дальнейшего повествования.
Пусть — два множества. Отображением
называется правило, которое каждому элементу сопоставляет единственный элемент
. Это база.

Когда и
— числовые множества (например, множества действительных чисел
), отображение принято называть числовой функцией, или просто функцией. Так, запись
означает, что каждому действительному числу сопоставлен квадрат этого самого числа. Следует понимать, что имя функции — это . Буква
в записи
— лишь обозначение аргумента функции; никакого собственного смысла она не несёт. Записи
описывают одну и ту же функцию . А вот запись
— бессмыслица.
Заметим, что в физике традиция диктует противоположное: одну и ту же физическую величину часто обозначают конкретной буквой: давление и
как функции температуры и объема в одном случае и температуры и энтропии в другом. Этим удобством мы дальше злоупотреблять не будем: с математической точки зрения это две разные функции, следовательно, должны обозначаться разными буквами.
А кто же такие индексы?
Индексы всего‑навсего представляют из себя простой частный случай числовых функций, а именно такой, когда область определения является конечным множеством. (По сути, на этом статью можно заканчивать, поскольку этим все сказано. Далее будут лишь формализация этой мысли и конкретные приложения.)
Как мы увидим, этот случай действительно гораздо проще, чем случай функций, определенных на всем множестве вещественных чисел, однако он менее привычен. Это обстоятельство мы и собираемся устранить, причем уже имеющийся опыт работы с «обычными» функциями будет в этом полезен: многие факты будут перенесены на специальный случай путем полной аналогии.
К делу! Зафиксируем натуральное и рассмотрим множество
Индексной функцией назовем любое отображение Это определение предварительное, далее его можно будет уточнить, а точнее обобщить на случай нескольких индексов, но пока оставим как есть.
Для таких функций по чисто визуальным причинам принята особая запись: вместо пишут
. По определению
Вновь подчеркнём, что — это имя функции, а
— имя ее аргумента. Все сказанное в этом контексте о функциях на
переносится на индексные функции без изменений, поскольку с точки зрения названий функций и аргументов нет разницы, на каком множестве функция определена.
Далее подумаем немного о способах задания функции: как объяснить, с какой именно функцией мы имеем дело?
В случае функции самым наглядным является график, а самым удобным с точки зрения алгебраического обращения — формульная запись. Но для индексных функций появляется возможность, которой не было для функций на
: множество определения индексной функции по определению конечно, поэтому самым интуитивным способом задания индексной функции является попросту перечисление значений этой функции при всех возможных аргументах. Реализовать это можно с помощью таблицы:
Что же касается графического и формульного способов задания функции, то они также работают. Однако график индексной функции на обычной декартовой плоскости вырождается в конечное множество точек, поэтому графической способ не имеет плюсов перед таблицей. Формульный же способ остается вполне рабочим, хотя и редко используется по причине того, что большинство физически значимых индексных функций не задаются формулой естественным образом.
Равенство и операции
Как уже было сказано, в записи
— это имя функции, а
— имя ее аргумента. Следует четко понимать, с каким объектом мы имеем дело: функцией, аргументом, значением функции или, например, всем множеством значений функции. Для пояснения сказанного обратимся к примеру:
Пусть и заданы две функции:
Вопрос 1: Имеет ли смысл писать
Да. Это утверждение о функциях: и
— это одна и та же функция. Имя аргумента (
или
) ни на что не влияет, ровно как для непрерывных функций
и
— это одна функция.
Вопрос 2: Имеет ли смысл писать ?
Это бессмыслица в том виде, в каком написана. Слева стоит число (значение функции
при каком‑то неопределенном аргументе
), справа — число
(аналогично). При конкретных значениях
такое равенство может иметь смысл, например
. Однако,
суть такая же бессмыслица, как
. Если для каких‑то функций их значения совпадают на некотором множестве аргументов, то может иметь смысл запись
с указанием множества, которому принадлежит аргумент
, ровно как и в случае функций на
, когда для
и
можно написать
при
. Следовательно, поскольку функции
и
равны, корректна следующая запись:
Это эквивалентно равенству функций , однако заметьте, что в одном случае мы приравниваем сами функции, а в другом их значения.
Арифметические операции над индексными функциями определяются естественным образом:
Вновь обратите внимание на разную природу знаков сложения и умножения в разных частях равенств.
Как уже было сказано, прослеживается четкая аналогия с функциями на , для примера рассмотрим умножение: если
, то их произведение
задаёт новую функцию
. Это полный аналог
. Как можно догадаться, простор для построения новых функций огромен.
А что если индексов больше?
До сих пор аргумент функции пробегал множество . Ничто не мешает рассмотреть отображения более общего вида:

Здесь (
раз) — декартово произведение, то есть множество упорядоченных наборов из
штук элементов из
. Слово «упорядоченных» существенно: пара
и пара
— это разные элементы
.
Более того, можно рассмотреть функции, определенные на декартовых произведениях неравных дискретных множеств. Возможно, вы удивитесь, но это очень очень и очень нужная и используемая конструкция (догадались о чем речь?) если нет ‑- расскажу дальше).
Такие функции тоже назовем индексными по определению. Если немного подушнить и выдать четкое определение, то следует множества вида назвать, к примеру, индексными, а индексными функциями назвать любые отображения из декартова произведения конечного набора произвольных индексных множеств в
. Звучит сложно, но по сути, простой объект. Программисты бы сказали, что это просто многомерный массив с разными размерами в общем случае.
Значения (при каких‑то фиксированных аргументах) «многоиндексной» функции записывают индексами снизу, полностью повторяя традицию, принятую в случае одного индекса (аргумента):
Все предостережения по поводу разграничения названий функций и их аргументов само собой остаются в силе и в этом случае.
Операции над «многоиндексными» функциями ничем не отличаются от операций с произвольными функциями: арифметические действия можно выполнять над функциями с одинаковыми аргументами. Например, для :
Комбинируя произвольные индексные и «многоиндексные» функции можно составлять новые функции от большего числа аргументов. Например, , тогда из них можно построить функцию
, определив ее как
в полной аналогии с для функций на
. Вариантов может быть много.
Зачем нужно несколько индексов (и нужно ли?)
Что касается способов задания функции нескольких индексов, то они остаются такими же, как и для функции одного индекса: формула и таблица. Правда, теперь таблица может быть двух вариантов, но это уже детали) НО! оказывается, что именно для «многоиндексных» функций есть совершенно новая возможность, с которой мы никогда не сталкивались для «обычных» функций, то есть, например, определенных на .
Поскольку в множестве, например, ровно
элементов, его можно занумеровать одним индексом
, пробегающим
согласно некоторому правилу (не принципиально, какому именно). Тогда произвольную функцию
можно с помощью этого правила соотнести с функцией
:
(Возможно, вы знаете пример, где это используется? А, скорее всего, точно знаете, но просто никогда об этом даже не задумывались! )
Зачем это нужно? Зачем вообще нужны функции нескольких индексов, если все их заведомо можно заменить функциями одного? Что ж, как обычно, резонность введения тех или иных понятий/определений оправдывается их практической применимостью и нужностью. Опыт показывает, что да, нужно. Еще хороший вопрос, о котором можно подумать, это почему тогда такая «редукция» не работает (или никогда нам не встречалась) для функций на . А можно и не думать.
Суммы
Для непрерывной функции интеграл
есть число, имеющее в зависимости от задачи конкретный физический и геометрический смыслы. Для индексной функции аналогом служит сумма, которая также может иметь непосредственное соприкосновение с практикой: например, сумма арифметической прогрессии в точности есть сумма значений индексной функции, заданной формульно (или рекуррентно).
Введем стандартные обозначения для суммирования с помощью знака . Пусть
. Тогда
Точно так же, как может иметь смысл брать интеграл не по всему множеству определения, а по какому‑то подмножеству, может иметь смысл и сумму брать по конкретному подмножеству множества определения.
Далее интереснее. Рассмотрим для функции следующую конструкцию:
Что за объект должен стоять в правой части равенства? При каждом фиксированном правая часть — какое‑то число; меняя
, мы получаем разные числа. Следовательно, необходимый объект есть новая функция от оставшегося индекса
, например
. Вновь прослеживается полная аналогия с интегралами:
Принцип следующий: от индекса, по которому ведется суммирование, результат уже не зависит, ровно как результат интегрирования не зависит от переменной интегрирования. Такой индекс обычно называют «немым»; напротив, индексы, входящие в результат суммирования, называют «свободными», от них выражение зависит. По понятным причинам немые индексы могут быть переименованы произвольным образом без потери смысла:
Конструкции, содержащие суммирования, можно обобщить вполне произвольным образом. Для примера, пусть и
. Тогда:
Предостережение: если вы уже знаете «правило Эйнштейна», то вам могут показаться странными последние написанные суммы, однако не парьтесь ‑- здесь оно ни при чем. Видите ли, здесь нет ни верхних ни нижних индексов, ровно как и причин, запрещающих суммировать по более чем двум из них. Почему так? Это вопрос не к данной теме, а к самому правилу, точнее, к причинам, позволяющим его ввести в некоторых случаях. С точки зрения простых индексных функций (не примененным еще к линейной алгебре и ее объектам) никаких запретов типа «правила Эйнштейна» не существует.
Перестановочность сумм
‑- это, пожалуй, последнее, о чем стоит поговорить в контексте данной темы. Дело в том, что полезными, а порой и необходимыми, бывают выражения, содержащие несколько сумм, точнее говоря, суммы по нескольким индексам. Основной факт, касающихся таких сумм, заключается в том, что они не зависят от порядка суммирования: другими словами, суммы по разным индексам перестановочны. Пусть, для примера, . Тогда докажем, что:
Положим по определению функцию , то есть
есть функция на
. Сумма по всем парам
— это сумма всех элементов таблицы
. Складывать таблицу можно «строка за строкой» или «столбец за столбцом» — результат тот же. Раскрытие скобок в произведении
даёт ровно
слагаемых вида
, то есть тот же набор слагаемых. Как известно, для конечных сумм перестановка слагаемых не меняет суммы, что и завершает доказательство.
Двойную сумму обычно записывают одним знаком суммы, поскольку трактовать его можно любым из возможных способов, результат от этого не зависит. Поэтому вполне корректными и общепринятыми являются записи вроде:
Результат перестановочности двух сумм может быть обобщен на «многоиндексные» функции с большим количеством индексов, то есть при наличии свободных индексов. Доказательство является следствием доказанного выше и требует лишь понимания устройства «многоиндексных» функций. Немой индекс также может встречаться несколько раз, причем внутри разных функций, на справедливость утверждения перестановочности это тоже не влияет. В качестве примера, можно убедиться в справедливости следующей цепочки равенств:
Полученный результат перестановочности двух сумм «многоиндексных» функций с произвольным количеством индексов может быть обобщен и на большее количество сумм. Доказательство в этом случае идейно ничем не отличается от уже проделанного. Результат — для «многоиндексных» функций любые суммы перестановочны между собой. По этой причине тройные и выше суммы, так же как и двойные, могут быть записаны одним знаком суммы с указанием индексов суммирования, сохраняя при этом однозначность толкования.
На этом теоретическая часть заканчивается, далее посмотрим, как это применяется на практике.
Примеры
-
Прогрессии
Арифметическая и геометрическая прогрессии являются классическими примерами индексных функций. По определению каждый член прогрессии, кроме первого, выражается через предыдущий, то есть рекуррентно. Явный вид (формульный способ задания индексной функции) может быть в обоих случаях получен как простое следствие. Известны также формулы для сумм конечного числа членов арифметической и геометрической прогрессий.
-
Матрицы
Пожалуй, самым известным примером «многоидексной» функции является матрица, то есть отображение
где ,
— два дискретных множества (необязательно одинаковых). Значения
— это «клетки» прямоугольной таблицы, которой эту самую матрицу обычно и представляют. Если вам на первом курсе после всей строгости матана, кванторов, множеств и так далее казалось, что таблица ‑- какое‑то недостаточно строгое и корректное определение для матрицы, то вы были совершенно правы.
Матричное же умножение есть частный случай рассмотренных выше сумм «многоиндексных» функций. Пусть и
. Положим
Это в точности то, что в общепринятой матричной записи называется произведением матрицы на столбец «». Если перевести матричное умножение на язык индексных функций, то определением матричного умножения
будет выражение:
Можете сами убедиться на конкретных примерах, что так оно и есть.
-
Символ Кронекера
Пусть
. Символом Кронекера по определению называется отображение
,
В матричной записи индексная функция представляет из себя единичную матрицу размера
: единицы на главной диагонали и нули вне её.
Основной интерес в работе с символом Кронекера представляет следующее свойство, которое в простейшем случае формулируется так: для любой функции
Доказательство просто и проводится вручную. При фиксированном сумма
содержит лишь одно ненулевое слагаемое — то, в котором . В нём
, так что вся сумма равна
. Это верно для каждого
. Свойство может быть усилено на более сложные функции, полностью повторяя только что приведенное доказательство, но это уже сами.
-
Символ Леви‑Чивиты
Зафиксируем
, то есть
. Символом Леви‑Чивиты по определению называется отображение
, заданное правилом
Тройка имеет
перестановок, из которых три четные и три нечетные:
Среди возможных троек
символ
отличен от нуля лишь в
случаях. Значения в
оставшихся случаях равны нулю. Как было выяснено, самым логичным способом мыслить себе «многоиндексную» функцию является ее табличное представление. Реализуем его:
|
|||||
|
|||||
Кому‑то более понятным может показаться так называемое трехмерное представление, однако на суть это не влияет ‑- это по‑прежнему просто функция, то есть просто отображение из одного множества в другое, заданное некоторым правилом.

-
Сумма двух символов Леви‑Чивиты по одному общему индексу
Рассмотрим выражение
которое часто встречается в физических задачах: двойное векторное произведение, ротор векторного произведения и т.,п. Необходимо как‑то преобразовать и осмыслить это выражение. Первый вопрос — что за объект получится? Получится, как несложно понять, функция от четырёх свободных индексов:
Для задания функции четырех индексов необходимо значений, большинство из которых, по‑видимому, — нули. Следующий вопрос — когда
заведомо равно нулю? Если
— тогда
для всех
; если
— тогда
для всех
.
Далее ничего не остается, необходимо просто вычислить недостающие значения, таким образом задав функцию и получив ответ. Возьмём для начала
. Сумма по
:
Чтобы , должно быть либо
, тогда
, либо
, тогда
. Для других
и
будут нули. Абсолютно аналогично могут быть вычислены все недостающие значения. Интересный факт заключается в том, что результат такой суммы может быть выражен через символы Кронекера:
Эта формула довольно знаменита и полезна в практических расчетах, как уже было сказано выше. Следует очень четко понимать, что никакой магии тут нет: достаточно построить таблицу всех значений руками. Это утомительно, но концептуально просто.
Для полноты картины скажем, что при вычислении большую роль могут сыграть симметрии. Например, если уже вычислены значения при
, то не составляет труда понять, что будет при всех остальных значениях этих индексов, поскольку циклический сдвиг индексов не меняет значения символа Леви‑Чивиты: вновь наталкиваемся на симметрию в чистом смысле слова. Другими словами, если везде заменить
то все формулы останутся верными, например
. Таким образом, убеждаемся, что при работе с симметричными объектами идеи симметрий могут значительно продвинуть вперед. Идеи симметрий могут в каком‑то смысле лечь в основу вычисления такой суммы используя понятие определителя, которое, однако, здесь рассмотрено не будет.
ИТОГИ
Итак, мы поняли, что такое индексы, какие функции они задают и что с ними можно делать. Вы прямо сейчас можете пойти и получить, например, формулу «бац минус цаб» для двойного векторного произведения, пользуясь символом Леви‑Чивиты. В общем, индексные функции ‑- очень полезный и применимый аппарат в науке, как прикладной, так и фундаментальной. Как именно ‑- другой вопрос; целью статьи было всего‑навсего дать представление о том, как себе следует мыслить индексы и как с ними работать в самом общем случае.
Эта статья написана по мотивам моей первой лекции курса тензорной алгебры и анализа для физиков. Если вам понравилось изложение либо статья была полезна для вас, можете смело связываться со мной! Спасибо, что дочитали до конца:‑) не теряйтесь https://t.me/opredelennn
Комментарии (2)

black_warlock_iv
21.10.2026 19:24Есть ещё тензорные индексы по Пенроузу (абстрактная индексная нотация). Это немножко другая вещь.
Spaceoddity
Как-то маловато. А как же https://ru.wikipedia.org/wiki/Соглашение_Эйнштейна ?
А моя главная претензия к индексам - это "клинопись" ;)