微分形式與外微積分

楔積(wedge product)

/ WEJ product /

如何用兩個度量長度的 1-形式造出一個度量面積的 2-形式?你把它們相乘——但要帶上一個記住定向的轉折。楔積,用符號 ^(讀作「楔」)記,是把一個 p-形式與一個 q-形式合成 (p+q)-形式的乘法。它的全部個性就是一條規則:它對 1-形式反對稱,即 dx^dy = -dy^dx,因而 dx^dx = 0。

這種反對稱不是怪癖,而是定向面積的代數。2-形式 dx^dy 餵入兩個向量,返回它們在 x-y 平面上投影的帶號面積——一個行列式——而行列式在交換兩列時變號,這恰恰就是 dx^dy = -dy^dx。dx^dx = 0 的消失則在說:兩條稜相等的退化平行四邊形沒有面積。對混合階數,符號規則推廣為:若 alpha 是 p-形式、beta 是 q-形式,則 alpha^beta = (-1)^(pq) beta^alpha,於是兩個 1-形式反交換,而一個 2-形式與一個 1-形式交換,依此類推。楔積還滿足結合律並對加法分配,所以你幾乎可以像普通乘法那樣運算——只需在重排時仔細記號,並把任何重複了某個基本 1-形式的項殺掉。

楔積是讓更高階形式得以存在的發動機。它讓 dx、dy、dz 生成基本 2-形式與體積形式 dx^dy^dz;它藏在叉積裡(u 叉乘 v 對應於由對偶於 u、v 的 1-形式造出的 2-形式),也藏在每一個換元雅可比裡。在物理中,它把勢 1-形式拼成電磁場 2-形式,並支撐哈密頓力學的辛 2-形式。

把 alpha = 2 dx + dy 與 beta = dx - 3 dy 相楔。展開並用 dx^dx = dy^dy = 0 以及 dy^dx = -dx^dy:alpha^beta = 2 dx^(-3 dy) + dy^dx = -6 dx^dy - dx^dy = -7 dx^dy。這唯一的係數 -7 恰好是係數矩陣 [2, 1; 1, -3] 的行列式。

在平面上把兩個 1-形式相楔,產出 dx^dy 的單一倍數,其係數是一個 2 乘 2 行列式。

符號規則取決於階數,而不取決於這些形式作為數是否可交換。奇數階的形式與自身相楔總為零(奇階的 alpha 有 alpha^alpha = 0),但偶數階的形式未必如此:2-形式可以與自身非平凡地相楔,正如辛形式那樣。

又稱
exterior product外积外積