微分形式與德拉姆上同調

流形的定向(orientation of a manifold)

定向是在整個流形上對「哪一邊算正」所作的一致選擇。在直線上它是一個方向;在曲面上它是順時針對逆時針的一致意義,或等價地是連續選定的「上」面;在更高維它是對基向量排序的一致右手定則。麻煩在於並非每個流形都容許這樣的整體選擇——莫比烏斯帶眾所周知就不行,因為繞一圈走回來會把你的手性翻轉。

精確地說,n 維流形 M 的一個定向,是在每個切空間 T_p M 上光滑地選取一個定向(有序基的一個等價類,兩組基等價當且僅當變基矩陣的行列式為正),且隨 p 連續變化。把這事打包的三種等價方式:(i) 一個圖冊,其座標卡轉移的雅可比行列式皆為正;(ii) 一個處處非零的最高次形式 omega 屬於 Omega^n(M),稱為體積形式或定向形式;(iii) 在每點對最高外冪 Lambda^n(T*_p M) 的生成元作一致選擇。若這樣的選擇存在,流形就是可定向的,且此時每個連通分量上恰有兩個定向。

定向是積分形式的前提:最高次形式在 M 上的積分只有在 M 已定向後才有定義,因為反轉定向會使積分變號(正如把定積分的方向反過來會使其變號)。因此它被嵌進斯托克斯定理裡,其中邊界繼承一個誘導定向。一個誠實的提醒:可定向性是與任何度量無關的拓樸性質——RP^2 與克萊因瓶不可定向,球面與環面可定向。並請別把可定向性(選擇之存在)與定向(一個具體選擇)混為一談;一個連通可定向流形有兩個定向。

球面 S^2 可定向:向外的單位法向量給出一致的「外側」,等價地(從 R^3 限制下來的)面積形式是一個處處非零的 2-形式。莫比烏斯帶不可定向:試圖選取一致的法向量,繞核心圓一圈後它會指向相反方向,故不存在處處非零的最高次形式。具體地,在 R^n 上標準定向是使 dx^1 ^ dx^2 ^ ... ^ dx^n 為正的那個——軸的右手序。

可定向性是整體的:局部上每個流形都有兩個定向,但莫比烏斯帶無法把它們黏成單一一致的選擇。

定向不需要度量——它是純粹的光滑拓樸,由一個處處非零的最高次形式刻畫。不可定向流形沒有這樣的形式,故不容許對最高次形式作真正的積分(必須改用密度)。可定向與已定向這兩個概念不同:前者是是非題,後者是已選定的一個符號。

又稱
orientation定向orientability可定向性