微积分——外微分形式的微积分

注释:

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在我们所讨论的三度空间(三维)中,能够出现的微分形式只有四种:

零次微分形式——函数 f

 

一次微分形式——线积分中出现的微分dx,dy,dz的一次式

                                             

 

二次微分形式——面积分中出现的微分dx,dy,dz的二次式  

                                         

 

三次微分形式——体积分中出现的微分dx,dy,dz的三次式

                                                    

 

注意:以上微分形式中至少有两个相同的dx,dy,dz项,每一个形式中只包含具有不同的dx,dy,dz的项。

 

 

 

 

 

我们还知道联系这些线、面、体积分的三个基本公式:

Green公式:

                          

 

                        其中D为L围成的闭区域,P、Q为D上的具有一阶连续偏微商的函数。 

 

Gauss公式:

                               微积分——外微分形式的微积分_第1张图片

                      其中V为封闭曲面∑围成的闭区域,函数P、Q、R为V上有一阶连续偏微商的函数。

 

Stokes公式:

                   微积分——外微分形式的微积分_第2张图片

 

                        其中封闭曲线L为曲面∑的边界,P、Q、R为V上有一阶连续偏微商的函数。

 

 

那么上述三个公式之间有什么联系

这就是本文所要关注的。

 

 

 

我们也很容易联想到上述三个公式的更一般形式的物理意义,即场论中的三个——梯度、旋度、散度

设 u 为数量场,v = Pi + Qj + Rk 为矢量场。

梯度:

 

 

 旋度:

微积分——外微分形式的微积分_第3张图片

 

散度:

 

 

这些度都是怎样产生的?有何数学意义?

这也是本文所要关注的。

 

 

单变量微积分有Newton-Leibniz公式,即微分与积分是一对对立统一的运算

多变量微积分中微分、积分的对立统一是怎样体现的?

这又是本文所要关注的。

 

 


 

 

怀着这三种疑惑,我们开始观察这些积分。

容易发现,

第二型线、面积分的积分区域都是有方向的。

然后容易想到可以把一重积分、二重积分看作第二型线、面积分的特例:积分区域也有方向。

三重积分同理也可定向。

所以,曲线长度因方向不同被定义成正负,亦如单变量微积分中的这个性质。

 

关于曲面,

定向是分为内外侧(看课本定义,即法线从起点连续移动直到回到起点,根据法线方向是否改变来为曲面定向)

(不可定向的曲面典型就是著名的莫比乌斯带。)

来张图吧

微积分——外微分形式的微积分_第4张图片莫比乌斯带——不可定向

 

那么我们在这里只能讨论可定向的曲面咯。

所以,曲面面积在面积元素定向后因方向不同被被定义成正负。

 

 

根据二重积分定义,再将面积元素进行变元变换(看课本定义,不详细写)

 

当时是为了保持面积元素始终为正,而对式中Jacobi行列式取了绝对值。

但是现在,面积元素被允许有正负了,就没必要取绝对值了,就变成了这样

其中D已定向,D是D经过变元逆变换得到的区域,自然是定向了的。

所以,

微积分——外微分形式的微积分_第5张图片

 

观察此式的性质 

(i)如果取y = x,则有

微积分——外微分形式的微积分_第6张图片

 

(ii)如果将y,x互换,则有

 微积分——外微分形式的微积分_第7张图片微积分——外微分形式的微积分_第8张图片

此时,dydx≠dxdy,即dx,dy在乘积中次序不能颠倒,否则就是正负的差别。

 

满足上述两条的微分乘积被称为微分的外乘积,记为 

 和      第二条和普通的微分乘积不同。

外微分形式:

由微分的外乘积乘函数组成的微分形式:

若P、Q、R、A、B、C、H为x,y,z的函数,

一次外微分形式:

二次外微分形式:

三次外微分形式:

 

接下来易证得三个外微分形式λ,µ,ν的外乘积满足分配律、结合律,但不满足交换律。(证明比较简单但编辑起来略繁就不贴了):

如果λ,µ,ν是任意三个外微分形式

分配律:

交换律:

不满足结合律:

若µ为p次外微分形式,λ为q次外微分形式

这些定律用于后期推广证明。

容易联想到

外微分可类比为:矢量外乘积

 


 

为了便于推广,我们可根据形式定义算子。

因此我们根据外微分形式ω定义外微分算子d,

零次外微分形式    函数 f 定义为

                      ,其实这里就是普通的全微分算子

 

 

一次外微分形式    ,定义为

                 

 

        由于

              

               

               

      所以

由于

   

        

 所以

 

 

二次外微分形式 ,定义为

     

同理易得

       

 

三次外微分形式 ,定义为

       

同理,由于

           

所以

                 

                         

为什么等于零?因为每一项中至少有两个微分是相同的

所以,在三维空间中任意的三次外微分形式的外微分是

外微分算子和普通微分算子运算方式相同,唯一的不同就是外微分算子运算后进行外乘积,而普通微分算子运算后进行正常的乘积。

 

于是我们得到了零次、一次、二次、三次外微分算子。

接下来,

设零次外微分形式ω=f,

就有

     

然后

   

由于

    

所以

假设f具有二阶连续偏微商,则有

              

所以

                    

 

 

一次外微分形式  

       

于是

 

 

 

 二次外微分形式

易得

 

三次外微分形式

易得  

 

这就是Poincaré引理:

若ω为一个外微分形式,其微分形式的系数具有二阶连续偏微商,则

 

那么Poincaré引理的逆定理是否成立呢?成立。

先阐述Poincaré引理之逆:

若ω是一个p次外微分式且,则存在一个p-1次外微分形式 a,使

 

其实我们学习场论中的有势场、管型场时已经证明过了。

这里具体不贴了。

 

 


 

引入外微分后,接下来回到之前的疑惑之一——场论中的三个度究竟是什么含义,还有没更多的度?

先将三个度化成外微分形式,观察其意义。

 

零次外微分形式 ω = f, 零次外微分形式的外微分

     

又 f 的梯度为

  

所以梯度零次外微分形式的外微分相对应。

 

一次外微分形式的外微分

微积分——外微分形式的微积分_第9张图片

又矢量 的旋度为

     

                微积分——外微分形式的微积分_第10张图片

所以旋度一次外微分形式的外微分相对应。

 

二次外微分形式的外微分

     

 又矢量的散度

     

 

所以散度二次外微分形式的外微分相对应。

 

 

三次外微分形式的外微分在三维空间中为零。

所以没有相对应的度。

三维空间里,也没有更多的度了。

 

综上,就是如下

外微分形式的次数       度

       0                    梯度

       1                    旋度

       2                    散度

 

 

 

那么,Poincaré引理与Poincaré引理之逆也有其场论意义了:

易得

Poincaré引理中

当ω为零次外微分形式ω = f,有

即 

 

当ω为一次外微分形式,记,有 

  

 

Poincaré引理之逆中

等价于

必有

 

等价于

必有

 


回到剩下两个疑惑——三个公式与高维空间中微分积分的关系

现将三个公式写成外微分形式。

Green公式

,为一次外微分形式,于是

       

又线积分L可定向,所以该公式可写成

                      

 

 

同理,Gauss公式

   

又Σ定向,所以记

                   

该公式可写成

                   

 

 

同理Stokes公式

              

又线、面积分都为定向,将看作一次外微分形式

          

 

所以该公式可写成

                      

 

综上,可以看出,Green公式、Gauss公式、Stokes公式实际上是一个公式

                                                                         

其中ω为外微分形式,dω为ω的外微分,Σ为dω的封闭积分区域,∂Σ为Σ的边界,∫为区域有多少维数即多少重数。

 

含义:

高次的外微分形式dω在区域上的积分等于低一次的外微分形式ω在区域的低一维空间边界上的积分。

 

外微分运算和积分是相互抵消的,亦如一维空间中Newton-Leibniz公式。

由于三维空间中三次外微分形式的外微分为零,所以有了这个公式以后,区分区域和边界的公式就不再有了。

 

这个公式就是广义的Stokes公式

再写一遍

                                       

这个公式还可以推广到更一般的流形上(这个未来再说)

综上,在三维空间中,

外微分形式的次数      空间           公式

      0                    直线段         Newton-Leibniz公式

      1                    平面区域      Green公式

      1                    空间曲面      Stokes公式

      2                    空间中区域   Gauss公式

 

 


 

 

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