微分形式與外微積分

k-形式(k-form)

一旦你接受 1-形式是在度量一維邁步,自然的下一個問題就是:什麼東西度量定向面積、定向體積,或更高維空間的一塊?答案是 k-形式。k-形式是這樣的裝置:在每一點它吃進 k 個切向量——一個微小定向 k 維盒子的各條稜——返回一個數,告訴你這個盒子所代表的帶號 k 維體積,再按該點處的場加權。

其定義性質是反對稱性(也叫交替性質):交換 k 個輸入向量中的任意兩個,輸出就變號。這條單一規則編碼了定向:朝一個方向掃出的面積記為正,同一面積朝另一方向掃出則記為負,恰如你在行列式裡攜帶的那個號。事實上,由座標搭出的 k-形式本質上是若干 k 乘 k 雅可比行列式之和。反對稱性還逼出一道硬天花板:在 n 維空間裡,階數超過 n 的形式只能是零,因為你無法在不重複輸入的情況下塞進多於 n 個獨立插槽,而一旦重複,交替形式就消失。於是在 R^3 中你得到 0-形式(純量)、1-形式、2-形式與 3-形式(體積密度),再高就沒有了。

k-形式正是你在 k 維區域上積分的對象:1-形式在曲線上,2-形式在曲面上,3-形式在立體上。它們由基本 1-形式相楔而成,如 dx^dy^dz,而一點處全體 k-形式構成的空間維數為 n 取 k。這種按階數的分級正是整套形式微積分得以運轉的關鍵:外微分把階數升一,楔積把階數相加,而積分在 k 維定義域上吞掉一個 k-形式。

在座標為 x1,...,x4 的 R^4 中,基本 2-形式如 dx1^dx3 餵入兩個向量 u 與 v,返回 2 乘 2 矩陣 [u1, v1; u3, v3] 的行列式——也就是 u、v 平行四邊形在 x1-x3 平面上投影的帶號面積。R^4 中一般的 2-形式是 4 取 2 = 6 個基本形式 dx_i^dx_j(i < j)的組合。

k-形式通過組合其輸入的雅可比式行列式來讀取帶號的 k 維體積。

階數 k 計的是形式所度量對象的維數,而不是空間的維數。2-形式在 R^3、R^4 或任意 n 至少為 2 的 R^n 中都有意義;只有當容不下兩個獨立方向時它才恆為零。

又稱
differential k-formform of degree kk 阶微分形式k 階微分形式