闭形式和恰当形式

在数学,特别是向量分析与微分拓扑中,一个闭形式 \alpha 是微分算子 d 的核(又被称为零空间),即 d\alpha = 0 的微分形式;而恰当形式(恰当微分形式) \alpha 是微分算子 d 的像,即存在某个微分形式 \beta 使得 \alpha = d\beta , \beta 称为关于 \alpha 的一个“本原”。

因为 d^2=0,所以恰当形式一定是闭形式,但閉形式是否為恰當形式並不顯然。考虑一个闭形式是不是恰当的,可由不同的条件检测拓扑信息來得知。问一个 0-形式是否恰当没有意义,因为 d 将阶数提高 1,不过可以规定恰当 0-形式就是零函数。

当两个闭形式的差是一个恰当形式时,称它们为相互上同调的。这便是说,如果 \zeta 与 \eta 是闭形式,且存在某个 \beta 使得

:\zeta - \eta = d\beta\ ,

那么 \zeta 与 \eta 是互相上同调的。恰当形式经常称为上同调于零。相互上同调的形式的集合组成了一个德拉姆上同调类中的一个元素;对这样的类作一般性研究称为上同调理论。

\mathbb{R}^2 与 \mathbb{R}^2 上的微分形式已经为十九世纪的数学物理所熟知。在平面上,0-形式就是函数,2-形式是函数乘以基本面积元 dx\wedge dy ,故只有 1-形式

: \alpha = f(x,y)dx + g(x,y)dy\ ,

具有真正的意义,其外导数 d 是

: d \alpha = (g_x - f_y)dx\wedge dy\ ,

这里下标表示偏导数。从而 \alpha “闭”的条件是

: f_y=g_x\ .

当 h(x, y) 是一个函数时则

: dh = h_x dx + h_y dy\ .

“恰当形式是闭形式”便是关于 xy 二阶导数的对称性的一个推论,这可以直接推广到高维情形。

在 \mathbb{R}^2 上,恰当 1-形式相当于有势场(保守场),闭 1-形式相当于无旋场。故“恰当形式是闭形式”用向量分析的语言来说相当于有势场一定是无旋场。

庞加莱引理
庞加莱引理指出,在 一个n-维度域 Rn 中的开球上的每个封闭的p-微分形式对于 p 都是恰当的,这里 1 ≤ pn 。 更一般地,引理指出,在流形的可收缩开子集(例如 \mathbb{R}^n )上,闭 p-形式 p > 0 时是恰当的。[需要解释]

参考文献
*
*

评论 (0)

  • 还没有评论,来抢沙发吧。