外微分形式

外微分形式

外微分形式,又稱微分形式,是微分流形上定義的反對稱協變張量場。

外微分形式簡介

微分形式是多變數微積分、微分拓撲和張量分析領域的一個數學概念。現代意義上的微分形式,及其以楔積(wedge product)和外微分結構形成外代數的想法,都是由法國數學家埃里·嘉當引入的。

我們從 R中的開集的情形開始。一個 0-形式(0-form)定義為一個光滑函式 f. 當我們在 R的 m-維子空間 S上對函式 f積分時,我們將積分寫作 :

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把 dx, ..., dx當作形式化的對象,而非讓積分看起來像個黎曼和的標記。我們把這些和他們的負− dx, ..., − dx叫做 基本'1 -形式。

我們再在其上定義一種乘法規則楔積,這種乘法只需滿足反交換的條件: 對所有 i, j

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注意這意味著

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我們把這些乘積的集合叫做 基本2- 形式,類似的我們定義乘積

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的集合為 基本'3 -形式,這裡假定n至少為3。定義一個單項式' k-形式為一個0-形式乘以一個基本的 k-形式,定義 k-形式為一些單項式 k-形式的和。

楔積可以推廣到這些和上:

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等等,這裡 dx和類似的項表示 k-形式。換句話說,和的積就是所有可能的積的和。

我們來定義光滑流形上的 k-形式。為此,我們假設有一個開坐標覆蓋。我們可以在每個坐標鄰域上定義一個 k-形式;一個全局的 k-形式就是一組坐標領域上的 k-形式,他們在坐標鄰域的交集上一致。這種 一致的精確定義,見流形。

楔積的性質

若 f, g, w為任意微分形式,則

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若 f為 k-形式, g為 l-形式:

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抽象(簡明)定義及討論

在微分幾何中, k階 微分k-形式是一個流形的餘切叢的 k階外冪(exterior power)的光滑截面。在流形的每一點 p,一個 k-形式給出一個從切空間的 k階笛卡兒冪(cartesian power)到 R的多線性映射。

例如,光滑函式(0-形式)的微分就是一個1-形式。

1-形式在張量的坐標無關表示中是一個很有用的基本概念。在這個上下文中,他們可以定義為向量的的實值函式,並可以看成他們所對應的向量空間的對偶空間。1-形式的一個舊稱就是"協變向量"。

微分形式的積分

k階微分形式可以在 k維鏈(chain)上積分。若 k= 0,這就是函式在點上的取值。其他的 k= 1, 2, 3, ...對應於線積分,曲面積分,體積分等等。

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為一微分形式,設 S為一個我們想在其上積分的集合,其中 S有參數化形式

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u屬於參數域 D。則[Rudin, 1976]定義 S上微分形式的積分為

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其中

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是雅可比矩陣的行列式 。參見斯托克斯定理(Stokes' Theorem)。

微分形式的操作

一個流形上所有 k-形式的集合是一個向量空間。而且,其上有三類操作:楔積,外微分(用 d表示),和李導數。 d= 0,細節請見德拉姆上同調。

外導數和積分的基本關係由推廣的斯托克斯定理給出,它也同時給出了德拉姆上同調和鏈的同調的對偶性。

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