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形式積分


一個 微分k-形式 可以在一個 n流形 上積分。最基本的例子是一個在 nR^n 單位開球中的 n-形式 alpha。由於 alpha 是一個 頂維形式,它可以被寫作 alpha=fdx_1 ^ ... ^ dx_n,因此

 int_Balpha=int_Bfdmu,
(1)

其中該積分是 勒貝格積分

在一個被 座標圖 U_i 覆蓋的 流形 M 上,存在一個 單位分解 rho_i 使得

1. rho_i支集U_i 中,並且

2. sumrho_i=1.

然後

 int_Malpha=sumint_(U_i)rho_ialpha,
(2)

其中右側是 良定義的,因為每次積分都在一個 座標圖 中進行。 n-形式 alpha 的積分是 良定義的,因為在座標變換 g:X->Y 下,積分根據 雅可比矩陣 的行列式進行變換,而一個 n-形式透過 雅可比矩陣 的行列式拉回。因此,

 int_Xg^*(alpha)=int_X||J||f(g(x))=int_Yf(y)
(3)

在任一 座標圖 中,積分都是相同的。

例如,有可能在 球面 S^2 上積分 2-形式

 alpha=zdx ^ dy-ydx ^ dz+xdy ^ dz
(4)

由於一個點具有 零測度,在 S^2-(0,0,1) 上積分 alpha 就足夠了,S^2-(0,0,1) 可以被 球極投影 phi:R^2->S^2-(0,0,1) 覆蓋。 由於

 phi(x,y)=((2x)/(1+r^2),(2y)/(1+r^2),(1-r^2)/(1+r^2))
(5)

拉回對映 alpha

 phi^*(alpha)=4/((1+r^2)^2)dx ^ dy,
(6)

alphaS^2 上的積分是

 intint4/((1+r^2)^2)2pirdrdtheta=4pi.
(7)

請注意,透過 斯托克斯定理,這個計算可以更輕鬆地完成,因為 dalpha=3dx ^ dy ^ dz


另請參閱

德拉姆上同調, 斯托克斯定理, 子流形, 頂維形式, 體積形式

此條目由 Todd Rowland 貢獻

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請引用為

Rowland, Todd. "形式積分." 來源 Web Resource,由 Eric W. Weisstein 建立. https://mathworld.tw/FormIntegration.html

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