微分形式與外微積分

閉形式(closed form)

當一個微分形式的外微分為零,即 d omega = 0 時,稱它為閉形式。這名字與「閉合迴路」同宗——施加 d 時什麼也沒在變,所以這個形式沒有 d 能探測到的內部扭轉或源。對平面上的 1-形式,P dx + Q dy 閉的充要條件恰是 Q_x = P_y,也就是你也許記得的、判定保守場的混合偏導相等條件。

「閉」是「恰當」那個更弱、更局部的表親。每個恰當形式自動是閉的,因為 d 平方等於零:若 omega = d eta,則 d omega = d(d eta) = 0。反過來——是否每個閉形式都恰當?——才是有趣的問題,答案取決於空間的形狀。在局部(任意小球上,或任何沒有洞的區域上),龐加萊引理說「是」:閉就蘊含恰當。在整體上它可能失敗,而這種失敗恰恰就是形式探測區域拓撲的方式。

經典的告誡故事是平面去掉原點上的 omega = (-y dx + x dy)/(x^2 + y^2)。直接計算表明 d omega = 0,所以 omega 是閉的;然而它繞原點一圈的積分是 2 pi 而不是零,這是恰當形式絕不可能產生的。所以 omega 閉而不恰當。這單一的不匹配正是德拉姆上同調的種子,在物理中它恰是那個角度微分,其非零的迴路積分昭示原點處的洞——這與卷繞數、阿哈羅諾夫-玻姆相位,以及無法消去的環流背後是同一種結構。

omega = (2xy) dx + (x^2 + 1) dy 在整個平面上閉嗎?這裡 P = 2xy 且 Q = x^2 + 1,於是 P_y = 2x 與 Q_x = 2x;它們相等,所以 d omega = 0,omega 閉。由於平面沒有洞,龐加萊引理還使它恰當:omega = d(x^2 y + y)。

「閉」是一個微積分檢驗(混合偏導相等);它是否還恰當,則是一個拓撲問題。

閉不等於恰當。去心平面上角度形式的全部要點就在於:只要定義域有洞,就存在閉而不恰當的形式;把兩者等同是這裡最常見的單一錯誤。

又稱
closed differential form闭微分形式閉微分形式