微分形式與德拉姆上同調

德拉姆上同調(de Rham cohomology)

/ duh-RAHM /

德拉姆上同調是一種只用微積分來數光滑流形的洞的方法——不用三角剖分、不用組合學,只用微分形式與算子 d。它的口號是:閉而不恰當的形式偵測洞:一個導數為零卻又不是任何導數的形式,正在登記流形所擁有的某種整體特徵。第 k 個德拉姆上同調以精確的意義量度了獨立的 k 維洞。

精確地說,在光滑流形 M 上,德拉姆複形是由外微分 d 連起的空間鏈 Omega^0(M) -> Omega^1(M) -> Omega^2(M) -> ...,且 d^2 = 0。第 k 個德拉姆上同調是商 H^k_dR(M) = (閉 k-形式) / (恰當 k-形式) = ker(d 在 Omega^k 上) / image(d 在 Omega^{k-1} 上)。因為恰當形式是閉的(d^2 = 0),這個商有意義,且兩個閉形式若相差一個恰當形式則上同調等價。這些是實向量空間;它們的維數是貝蒂數 b_k。楔積下降為上同調上的乘積,使 H*_dR(M) = 各 H^k_dR(M) 的直和成為一個分次交換環,即德拉姆上同調環。

它是一個強大的不變量:它具同倫不變性(同倫等價的流形有同構的德拉姆上同調),可用邁耶-菲托里斯序列計算,且憑藉斯托克斯定理透過積分與閉鏈配對。它的值編碼了連通性(b_0 數分量數)、迴圈與更高的洞。一個本質的誠實提醒:德拉姆上同調只計算實係數的上同調。它對撓元完全盲目——整係數上同調看得見的有限階現象(例如 RP^2 在整係數的 H_1 中有 2-撓元,但它在 1 次的德拉姆上同調只是 0)。永遠別說德拉姆「就是」上同調;它是實係數的影子,由德拉姆定理精確化。

對圓 S^1:H^0_dR = R(一個分量,即常值)而 H^1_dR = R,由閉而不恰當的角度形式 d theta 生成。故 b_0 = b_1 = 1——圓那唯一一個 1 維的洞。對 2 維球面 S^2:H^0 = R、H^1 = 0(沒有 1 維洞,單連通)、H^2 = R(面積形式,那個 2 維的空腔)。對 2 維環面 T^2:H^0 = R、H^1 = R^2(兩個獨立迴圈 d theta_1、d theta_2)、H^2 = R。

S^1、S^2、T^2 的德拉姆上同調讀出它們的洞;其維數就是貝蒂數。

德拉姆上同調是實係數的,看不見撓元——它與奇異上同調張量 R 一致,而非完整的整係數理論。所以它從不偵測克萊因瓶或 RP^2 的撓類;那些需要整係數的奇異或單純上同調(屬於另一個領域)。

又稱
de Rham cohomology德拉姆上同調H^k_dR(M)