微分形式與外微積分

向量微積分作為形式(vector calculus as forms)

見過外微分之後,妙處令人無法抗拒:向量微積分的三個算子——梯度、旋度、散度——不是三樣東西,而是一樣東西,即外微分 d,分別施加於 0、1、2 階的形式。一旦你在 R^3 中建立起向量場與形式之間的字典,grad、curl、div 那串雜亂的公式就塌縮為單一規則「施加 d」。

這是 R^3 中的字典(它藉助度規來升降指標,所以是笛卡爾式幾何所特有的)。純量函數 f 是 0-形式。向量場 (P, Q, R) 對應 1-形式 P dx + Q dy + R dz,也通過體積形式對應 2-形式 P dy^dz + Q dz^dx + R dx^dy。現在看:0-形式 f 的 d 是 df = f_x dx + f_y dy + f_z dz,就是梯度。場 F 對應的 1-形式的 d 給出一個 2-形式,其分量恰是 curl F。場 F 對應的 2-形式的 d 給出一個 3-形式,其唯一係數恰是 div F。三個經典算子,一個算子 d,僅由它作用的階數來區分。

這不只是整潔;它解釋了你曾死記的那些恆等式。因為 d 平方為零,curl of grad 為零(這是 0-形式上的 d of d),divergence of curl 為零(1-形式上的 d of d)——兩者都白白落出。而廣義斯托克斯定理成為罩在梯度定理、格林定理、經典斯托克斯定理、散度定理之上的大傘,因為每一條都不過是「在相應階數上 integrate d omega = integrate omega 在邊界上」。形式的圖景揭示了:整門學科原本是從幾個角度看到的同一個想法。

取 F = (P, Q, R) 及其 1-形式 omega = P dx + Q dy + R dz。計算 d omega 並整理各項:dy^dz 的係數是 R_y - Q_z,dz^dx 的係數是 P_z - R_x,dx^dy 的係數是 Q_x - P_y。這三個數恰是 curl F 的分量——旋度就是 1-形式的 d。

一個場的旋度,逐分量地說,就是它對應 1-形式的外微分。

向量場與形式之間的字典暗中用了歐氏度規與一個定向選取(以通過體積形式把 1-形式與 2-形式等同起來)。改變度規——走進彎曲空間或曲線座標——同一個外微分 d 巋然不動,而 grad、curl、div 會獲得額外的度規因子。這正是 d 是更根本對象的原因。

又稱
grad curl div as exterior derivative梯度旋度散度的形式统一梯度旋度散度的形式統一