微分形式與外微積分

恰當形式(exact form)

若一個形式是另一個形式的外微分,就稱它恰當:當存在 eta 使 omega = d eta 時,omega 恰當。這個 eta 叫做 omega 的勢或原像。這是「擁有原函數」的形式語言版本——恰當之於形式,正如「擁有勢函數」之於向量場。

為何在意?因為恰當性正是讓積分變得容易而與路徑無關的東西。若 omega = d eta,則廣義斯托克斯定理把 omega 在區域上的積分變成 eta 僅在邊界上的積分,而對 1-形式這就是微積分基本定理:df 沿從 A 到 B 的曲線的積分就是 f(B) - f(A),只依賴端點。恰當 1-形式繞任意閉迴路積分為零,這恰是「擁有勢的力場在往返一周中不做淨功」的陳述——一個保守場。所以「恰當」就是「保守」的形式論名字。

每個恰當形式都是閉的(因為 d 平方等於零),所以恰當是更強的條件。一個給定的閉形式是否真的恰當,取決於定義域的拓撲:在沒有洞的區域上,龐加萊引理保證閉蘊含恰當,而你可以沿徑向路徑顯式積分把勢構造出來。在有洞的區域上,某些閉形式拒絕恰當,而這些頑固形式的計數正是德拉姆上同調所度量的。在實踐中,尋找勢就是你大一微積分裡做過的那種找原函數,只不過現在按階數組織起來。

1-形式 omega = y dx + x dy 恰當:它等於 d(xy),因為 d(xy) = y dx + x dy。所以它從 (0, 0) 到 (3, 2) 的線積分就是 xy 在端點上的取值,3*2 - 0 = 6,無論你走哪條路。勢 xy 扮演原函數的角色。

恰當 1-形式積出端點值之差——形式語言裡的微積分基本定理。

勢在存在時從不唯一:你可以給 eta 加上任意閉形式而不改變 d eta。對 1-形式這就是給勢函數加常數的那種熟悉自由;在規範理論中它就是規範自由本身。

又稱
exact differential form恰当微分形式恰當微分形式