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微分 k-形式


微分 k-形式是 張量,其 張量秩k,並且在任意一對指標交換下是 反對稱 的。在 n 維空間中,代數獨立 分量的數量由 二項式係數 (n; k) 給出。特別地,一次形式 omega^1(通常簡稱為“微分”)是一個量

 omega^1=b_1dx_1+b_2dx_2+...+b_ndx_n,
(1)

其中 b_1=b_1(x_1,x_2,...,x_n), ..., b_n=b_n(x_1, x_2, ..., x_n)協變張量 的分量。從 x 更改變數到 y 得到

omega^1=sum_(i=1)^(n)b_idx_i
(2)
=sum_(i=1)^(n)sum_(j=1)^(n)b_i(partialx_i)/(partialy_j)dy_j
(3)
=sum_(j=1)^(n)b^__jdy_j,
(4)

其中

 b^__j=sum_(i=1)^nb_i(partialx_i)/(partialy_j),
(5)

這是協變變換定律。

p-交替多重線性形式向量空間 V 上對應於  ^ ^pV^* 的一個元素,即 對偶向量空間Vp外冪p-形式在 流形 上是 向量叢  ^ ^pT^*M叢截面,即 餘切叢p外冪。因此,可以用座標寫出 p-形式:

 sum_(|I|=p)a_Idx_(i_1) ^ ... ^ dx_(i_p)
(6)

其中 I 遍歷 p 個元素從 {1,...,n} 的所有遞增子集,並且 a_I 是函式。

微分形式上的一個重要運算,外微分,用於著名的 斯托克斯定理 中。外微分 dp 形式運算的結果是 (p+1)-形式。事實上,根據定義,如果 x_i 是座標函式,被視為 零形式,那麼 d(x_i)=dx_i

形式的另一個重要運算是 楔積,或外積。如果 alphap-形式,而 betaq-形式,則 alpha ^ betap+q 形式。此外,p-形式可以與 r-向量(即  ^ ^rTM叢截面)進行 縮並,得到 (p-r)-形式,或者如果 r>p,則得到 (r-p)-向量。如果流形具有 度量,則存在一個與外積對偶的運算,稱為 內積

在更高維度中,存在更多種類的微分形式。例如,在 切空間R^2 上存在 零形式 1,兩個 一次形式 dxdy,以及一個 二次形式 dx ^ dy一次形式 可以唯一地寫成 fdx+gdy。在四維空間中,dx_1 ^ dx_2+dx_3 ^ dx_4 是一個 二次形式,不能寫成 a ^ b

寫出一個形式所需的最少項數有時稱為形式的秩,通常在 二次形式 的情況下。當形式的秩為一時,它被稱為 可分解 的。形式的秩的另一種含義是其作為 張量 的秩,在這種情況下,p-形式可以被描述為秩為 p反對稱張量,實際上是 (0,p) 型別。形式的秩也可以指其 形式包絡 的維度,在這種情況下,秩是一個整數值函式。使用秩的後一種定義,p-形式是可分解的 當且僅當 它的秩為 p

n流形 M 的維度時,n 也是 切空間 TM_x 的維度。因此,n-形式始終具有秩一,而對於 p>np-形式必須為零。因此,n-形式被稱為 頂維形式頂維形式 可以不使用 度量 進行 形式積分。因此,p-形式可以在 p-維 子流形 上積分。微分形式是一個 向量空間(具有 C-無窮拓撲),因此具有對偶空間。子流形透過積分表示對偶空間的一個元素,因此通常說它們位於形式的對偶空間中,即 的空間。使用 度量霍奇星運算元 * 定義了從 p-形式到 (n-p)-形式的對映,使得 **=(-1)^(p(n-p))

f:M->N 是一個 光滑對映 時,它根據 雅可比矩陣 f_*流形切向量TM 推送到 TN。因此,N 上的微分形式拉回到 M 上的微分形式。

 f^*alpha(v_1 ^ ... ^ v_p)=alpha(f_*v_1 ^ ... ^ f_*v_p)
(7)

拉回對映 是一個線性對映,它與 外微分 可交換,

 f^*(dalpha)=df^*(alpha).
(8)

參見

角括號, Bra, 協變張量, 外代數, 外微分, 形式積分, 霍奇星運算元, 雅可比矩陣, Ket, 流形, 一次形式, 斯托克斯定理, 辛形式, 切叢, 張量, 二次形式, 楔積, 零形式 在 課堂中探索此主題

本條目部分內容由 Todd Rowland 貢獻

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請引用為

Rowland, ToddWeisstein, Eric W. "微分 k-形式。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/Differentialk-Form.html

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