贡献者： Giacomo
本文的难度分级为：科普。
直观上说，矩阵就是把数字排列成长方形。从这个角度来说，矩阵是一个纯粹的 “组合数学” 对象：不需要学习集合论、微积分、线性代数，只需要理解了数（整数，有理数，实数或者复数都可）的概念和上面的加、减、乘（可以没有除法）我们就可以理解矩阵。
不过，长方形只是一个很简单的二维图形，抛开纸张（二维）和方（形状）的限制我们可以得到很多不同的 “数字结构”，其中张量就是一种（不那么简单的）对方矩阵的推广。
在线性代数中，我们会学到用矩阵来理解（选定基之后的）线性算子，用张量来理解多线性变换。
在这个词条中，我们把一个 $n$ 行 $n$ 列的矩阵记作方矩阵（省略掉 $n$），$n \times 1$ 矩阵记作列矩阵（列向量），$1 \times n$ 矩阵记作行矩阵（行向量），$1 \times 1$ 矩阵记作数矩阵（标量）。根据矩阵的乘法子节 3 ，我们有以下五种合法的乘法（注意顺序不能颠倒）,
其中三种 “化简” 的乘法；
剩下两种种 “化繁或不变” 的乘法，
在研究张量的时候（本词条）只考虑 “化简” 的三种乘法，这之中我们发现，
因此，对于一个矩阵（方矩阵或者行矩阵），我们可以把作用一个列矩阵（或者输入一个列矩阵）定义为在右边乘上一个列矩阵；类似的对于一个矩阵（方矩阵或者列矩阵），我们可以把作用一个行矩阵（或者输入一个行矩阵）定义为在左边乘上一个行矩阵。
就目前来说，上述行为显得很没有意义，因为总共只有三种情况，而我却用了 $2 \times 2 = 4$ 种情况来表述。但是，我们可以把这套语言进行推广，以此来得到张量。但在此之前我需要严格定义一下上述 “化简” 和 “化繁或不变” 的概念。
我们现在有四种矩阵，方矩阵、列矩阵与行矩阵、数矩阵。我们把数矩阵作为终止状态，那么如果想通过 “作用列/行矩阵” 来得到终止状态，我们有
需要注意的是，对于方矩阵来说，作用列矩阵和作用行矩阵顺序不重要，因为一个是左乘一个是右乘。
我们把不需要任何作用的数矩阵称为 $(0,0)$ 型，把需要一次列矩阵作用的行矩阵称为 $(0,1)$ 型，把需要一次行矩阵作用的列矩阵称为 $(1,0)$ 型，把需要一次列矩阵作用和一次行矩阵作用方列矩阵称为 $(1,1)$ 型。因此，所谓 “化简” 的乘法指的是使类型变小的乘法。
注：这里我不称呼它们为 $(r, s)$ 型矩阵是因为这很容易和 $s \times t$ 型矩阵搞混；如果读者自认不会混淆，可以称呼它们为 $(r, s)$ 型矩阵。之后我会称呼它们为 $(r, s)$ 型张量。
因此对 $(r, s)$ 型作用一次列矩阵会得到，$(r, s - 1)$ 型；作用一次行矩阵会得到，$(r - 1, s)$ 型。这也解释为什么行矩阵不能再作用一次行矩阵，列矩阵不能再作用一次列矩阵。
很自然的我们就会考虑，$r$ 和 $s$ 如果不是 $0$ 或 $1$，我们能把 $(r, s)$ 型定义成需要 $s$ 次列矩阵作用和 $r$ 次行矩阵作用来得到数矩阵的某种东西吗？
答案是肯定的，这就是 $(r, s)$ 型张量的定义。
之前说过，矩阵是一种组合数学对象，往往用二维数组 $ \begin{bmatrix}A_{i j}\end{bmatrix} $ 来表示。实际上，这不是一套很好的记号，为了得到张量，我们需要修改一下矩阵的记号。我们使用 $ \begin{bmatrix}A^i_j\end{bmatrix} $，即 $$ \boldsymbol{\mathbf{A}} = \begin{bmatrix} A_1^1 & & A_n^1 \\ & \ddots & \\ A_1^n & & A_n^n \\ \end{bmatrix} $$
这样的好处是什么呢？
考虑列矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{v}} = \begin{bmatrix}v^j\end{bmatrix} ,$ 行矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{\theta}} = \begin{bmatrix}\theta_i\end{bmatrix} $，在矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{A}} $ 上作用列矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{v}} $，我们得到了一个新的列矩阵 $$ \begin{bmatrix}w^i\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\sum_j A^i_j v^j\end{bmatrix} $$
现在再作用行矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{\theta}} $，我们得到了， $$ \begin{bmatrix}a\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\sum_i w^i \theta_i\end{bmatrix} $$
实际上，我们可以同时作用列矩阵和行矩阵，即 $$ \begin{bmatrix}a\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}\sum_{i, j} A^i_j v^j \theta_i\end{bmatrix} $$ 顺序并不重要。
一个 $(r, s)$ 型张量是一个有两种编号（系数）的多维数组，记作 $ \begin{bmatrix}A_{j_1 \dots j_s}^{i_1 \dots i_r}\end{bmatrix} $，定义对它作用一个列矩阵 $ \begin{bmatrix}v^{j}\end{bmatrix} $，为
实际上这个定义并不唯一我们也可以对任意的系数 $j_k$ 求和，因此在定义 “作用一个列/行矩阵” 的时候，我们需要声明是哪个系数的作用。实际上作用两次式 1 得到的结果一般依赖于作用列矩阵的顺序，即一般来说 $$ \sum_{j, j'} A_{j_1 \dots j_{s - 2} j' j}^{i_1 \dots i_r} v^{j} w^{j'} \neq \sum_{j, j'} A_{j_1 \dots j_{s - 2} j' j}^{i_1 \dots i_r} w^{j} v^{j'} $$
对于 $(r, s)$ 型张量 $ \boldsymbol{\mathbf{A}} $ 来说，我们也可以一次性作用 $s$ 个列矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{v}} [1], \dots, \boldsymbol{\mathbf{v}} [s]$，$r$ 个行矩阵 $ \boldsymbol{\mathbf{\theta}} [1], \dots, \boldsymbol{\mathbf{\theta}} [r]$，得到一个数矩阵 $$\begin{aligned} & \boldsymbol{\mathbf{A}} ( \boldsymbol{\mathbf{v}} [1], \dots, \boldsymbol{\mathbf{v}} [s], \boldsymbol{\mathbf{\theta}} [1], \dots, \boldsymbol{\mathbf{\theta}} [r]) \\ = & \begin{bmatrix}\sum A_{j_1 \dots j_s}^{i_1 \dots i_r} v[1]^{j_1} \dots v[s]^{j_s} \boldsymbol{\mathbf{\theta}} [1]_{i_1} \dots \boldsymbol{\mathbf{\theta}} [r]_{i_r}\end{bmatrix} \end{aligned}$$
张量的定义是基于列/行向量的，而在线性代数中它们正好对应原向量和对偶向量。但如果我们抛开线性代数，假设存在第三种 “基本向量呢”？比如垂直于纸面向外写，我们可以得到 “竖向量”。如果以这三种向量为基础，我们可以定义 $(r, s, t)$ 型 “广义张量” 是一个有三种编号（系数）的多维数组，记作 $ \begin{bmatrix}{}^{k_1 \dots k_t}A_{j_1 \dots j_s}^{i_1 \dots i_r}\end{bmatrix} $。我们甚至可以定义第四个、第五个甚至更多个基本向量。
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