楔積(wedge product)/外積
/ WEJ /
楔積是微分形式的乘法。它取一個 p-形式 alpha 與一個 q-形式 beta,造出一個寫作 alpha ^ beta 的 (p+q)-形式。從幾何上看,若 alpha 量度 p 維帶號體積、beta 在互補方向上量度 q 維帶號體積,則 alpha ^ beta 量度合併區塊的 (p+q) 維帶號體積。它是讓你把形式的次數往上提的引擎,也是把德拉姆上同調變成一個環的工具。
它的定義性質是:雙線性(對每個因子線性)、結合性((alpha^beta)^gamma = alpha^(beta^gamma)),以及分次反交換 alpha ^ beta = (-1)^{pq} beta ^ alpha,其中 p = deg alpha、q = deg beta。由符號規則,任何奇次形式與自己的楔積為零(故 dx ^ dx = 0),但偶次形式與自己的楔積可以非平凡(辛 2-形式 omega 的 omega ^ omega 非零)。在座標下你機械地計算:把它展開,用符號規則重排因子,並消去任何重複出現 dx^i 的項。
楔積正是為什麼是形式、而非任意張量,才是流形上微積分的正確對象。它下降到德拉姆上同調(因為 d 對它是反導子),並使 H*_dR(M) 成為一個分次交換環,編碼了子流形如何相交。一個常見的口誤:楔積是分次交換,而非一概反交換。兩個 1-形式反交換(alpha^beta = -beta^alpha),但一個 1-形式與一個 2-形式可交換,因為 (-1)^{1*2} = +1。永遠要追蹤次數。
在 R^3 中設 alpha = x dx + dy 而 beta = dz。則 alpha ^ beta = x dx^dz + dy^dz。重排得 dx^dz = -dz^dx。而 (dx^dy) ^ dz = dx^dy^dz 是標準體積形式,至於 (dx^dy) ^ (dx^dy) = 0,因為 dx^dx 因子消失。但在 R^4 上取 omega = dx_1^dx_2 + dx_3^dx_4,其自楔積 omega ^ omega = 2 dx_1^dx_2^dx_3^dx_4 非零——偶次形式未必平方為零。
機械化計算:展開、按符號規則重排、丟掉重複的微分。注意偶次形式可以有非零的平方。
有些書在楔積前放一個組合因子(帶 k!/(p!q!) 的 Alt 約定),有些則不放(「行列式」約定)。兩者差一個常數,會改變如體積元素之類的公式。兩種都是標準的;只要在同一份文件內保持一致即可。