微分形式與外微積分
鏈與邊界(chain and boundary)
要積分一個形式,你需要某個東西去積分,而單一光滑片往往不夠——真實區域可能是好幾塊拼起來的,各有各的定向。鏈就是為此而設的記賬裝置:定向 k 維片(叫 k-胞腔或單純形)的形式和,帶整數係數,讓你能把一片數兩遍,或帶負號翻轉其定向。1-鏈是定向曲線段之和;2-鏈是定向曲面片拼成的補丁。
邊界算子,用一個花體 d(這裡記作 bd)表示,把 k-鏈變成它的 (k-1) 維邊界,作為 (k-1)-鏈——並且仔細追蹤定向。定向曲線段的邊界是其終點減去起點。定向圓盤的邊界是其逆時針繞行的邊緣。實心球的邊界是它的球面。各個號安排得使兩片共享一條稜時,那條共享稜從兩側帶著相反定向出現,在和裡相消——這正是把補丁拼起來時內部切口消失的原因。
決定性的事實,d 平方等於零的鏡像,是邊界的邊界為空:bd(bd of c) = 0。曲面有邊緣,但那邊緣是沒有自身端點的閉迴路;實體有表面,但那表面是沒有邊沿的閉曲面。這是 d 平方 = 0 的幾何孿生,兩者合在一起,使廣義斯托克斯定理(d omega 在區域上的積分等於 omega 在其邊界上的積分)成為形式上算子 d 與鏈上算子邊界之間一種完美的對偶。
設 c 是從 A 到 B 的定向直線段。其邊界是 bd c = B - A(終點記 +1,起點記 -1)。對 1-形式 df,它在 c 上的積分是 f(B) - f(A)——而你可以把它讀作 f 在邊界 bd c 上的積分,這正是最低階的斯托克斯定理。
線段的邊界是帶號的端點;這正是驅動斯托克斯定理的記賬法。
鏈是形式和,不是集合:係數 -1 不表示「去掉」,而表示「以反向定向計入」,而 2 倍一個胞腔是合法的鏈。正是這種代數記賬,而非幾何圖像,讓邊界乾淨地相消。
又稱
另見