微分形式與德拉姆上同調

帶邊流形(manifold with boundary)

普通流形在局部上看起來像整個 R^n——每點都有一小塊與開放空間無從分辨、沒有邊緣。帶邊流形容許某些點坐在邊緣上:在這種點附近,空間看起來像閉半空間,即要求某一座標 >= 0 的 R^n。閉圓盤、實心球、有限長的圓柱是標準例子;它們的邊緣、球面、端圓就是邊界。

精確地說,n 維帶邊流形 M 以半空間 H^n = {(x^1, ..., x^n) : x^n >= 0} 為模型:每點都有一個鄰域,微分同胚於 R^n 的開子集(內點),或微分同胚於 H^n 中與超平面 x^n = 0 相交的開子集(邊界點)。邊界記為 partial M,是邊界點的集合;它本身是一個維數為 n - 1 的無邊流形,且 partial(partial M) 為空。M 的一個定向經由「向外法向量優先」的約定誘導出 partial M 上的典範定向:partial M 的一組有序基為正,當在它前面加上一個向外指的向量後,構成 M 的一組有向基。

帶邊流形是斯托克斯定理的自然定義域,該定理把 M 上的積分與 partial M 上的積分聯繫起來——所以把誘導的邊界定向弄對,正是使格林、高斯與古典斯托克斯定理的符號正確的關鍵。一個要小心之處:邊界 partial M 不是 M 嵌在某個環境空間內的拓樸邊界;它是內蘊的,由局部半空間模型定義。此外,M 的內部(以開 R^n 為模型的點)是一個普通流形,而 partial M 可以為空,這時 M 只是一個普通的閉流形。

閉單位圓盤 D^2 = {(x, y) : x^2 + y^2 <= 1} 是帶邊 2 維流形;其邊界 partial D^2 是單位圓 S^1,一個無邊 1 維流形。實心球 B^3 的邊界是球面 S^2。半開圓柱 S^1 x [0, 1] 的邊界是兩個不相交的圓 S^1 x {0} 與 S^1 x {1}。每種情形下,經「向外法向量優先」在邊界上誘導的定向,恰好就是使斯托克斯定理符號正確成立的那個。

帶邊 n 維流形的邊界是一個無邊的 (n-1) 維流形;partial(partial M) 永遠是空的。

partial(partial M) = 空 是 d^2 = 0 的幾何鏡像;在斯托克斯定理下這兩個事實互為對偶。邊界是來自半空間模型的內蘊概念,並非環境空間中的拓樸界線——開區間 (0,1) 沒有流形邊界,儘管作為 R 的子集它有端點。

又稱
manifold with boundary帶邊流形bordered manifold