餘切叢(cotangent bundle)
若 p 處的切向量是速度——一個你能移動的方向——那麼 p 處的餘切向量便是一把線性量規,它從每個速度讀出一個數,例如「當我朝那個方向移動時這個函數增加得多快」。餘切叢 T*M 把所有點處的所有這類量規收集成一個光滑流形,恰好與切叢對偶。
在每點 p 處餘切空間 T*_p M 是對偶向量空間 (T_p M)*,即 T_p M 上的線性泛函。原型的餘切向量是光滑函數的微分 df_p:它把切向量 v 送到方向導數 v(f)。在座標為 x^1, ..., x^n 的座標卡中,微分 dx^1_p, ..., dx^n_p 構成 T*_p M 中與 T_p M 座標基對偶的基,故一般餘向量是 a_i 乘以 dx^i 之和。叢 T*M 的組裝方式與 TM 相同,關鍵差別在於座標變換下分量 a_i 按雅可比矩陣的逆轉置變換——它們是協變的而非反變的——這正是使餘向量與向量的配對與座標無關的原因。
T*M 的截面是 1-形式(餘向量場),是德拉姆複形的第一級,儘管真正的微分形式屬於後面的領域。T*M 承載 TM 所缺的一項結構:一個典範 1-形式(重言或劉維爾形式),從而一個典範辛結構,使每個餘切叢成為古典力學的自然相空間。一個常見的混淆是把「梯度」當作向量——沒有度量時,函數的導數是住在 T*M 中的餘向量 df,只有在選定度量之後你才升其指標而得到 TM 中的梯度向量場。
對 R^2 上的 f(x, y) = x^2 + y,其微分為 df = 2x dx + dy,是 T*R^2 的一個截面。與切向量 v = a 乘以 partial-x 加 b 乘以 partial-y 配對,它回傳 df(v) = 2x a + b,即方向導數——計算這個並不需要度量。
df 是餘向量;把它與向量配對給出方向導數。
T*M 與 TM 之間沒有典範同構;要等同它們需要黎曼度量來升降指標。微分 df 本質上是餘向量,而梯度則依賴度量。