微分形式與外微積分

體積形式(volume form)

在 n 維空間上有一個特殊階數的形式:n 階,即最高階,它度量完整的 n 維體積。體積形式是一個處處非零的 n-形式,它正是這樣一個裝置:餵入 n 個向量,返回它們張成的盒子的帶號體積。在平直的 R^3 中,標準體積形式是 dx^dy^dz;餵入三個向量,你得到以這些向量為列的矩陣的行列式——你早已認識的帶號體積。

兩個角色使體積形式不可或缺。其一,它是你拿來與函數相乘求總量的對象:密度為 rho 的物體的質量是 rho 乘以體積形式的積分,在座標下這就是熟悉的 rho dx dy dz 的三重積分。其二,體積形式恰是攜帶定向的東西:選定一個體積形式就等同於選定哪個方向為「正定向」,翻轉它的號就把左手系換成右手系。一個空間恰在可定向時才容許整體的體積形式——這正是為何莫比烏斯帶因不可定向而沒有一致的體積形式,你也無法按通常方式在它上面積分最高階形式。

在彎曲空間或曲線座標中,體積形式不只是 dx^dy^dz;它從度規獲得一個因子。在極座標中它是 r dr^d(theta);在球座標中它是 r^2 sin(phi) dr^d(theta)^d(phi);一般而言它是度規行列式的平方根乘以座標形式。那個因子恰是你在任何換元中攜帶的雅可比縮放因子——所以體積形式是換元行列式的家,也是散度定理與流形上整套積分機器所環繞的對象。

在 R^3 中,給 dx^dy^dz 餵入三個列向量 u = (1, 0, 0)、v = (1, 2, 0)、w = (1, 1, 3)。結果是 [1, 1, 1; 0, 2, 1; 0, 0, 3] 的行列式 = 1*2*3 = 6,即它們張成的平行六面體的帶號體積。把其中兩個向量調換次序,答案變成 -6——這是形式記錄下來的定向。

體積形式返回其輸入所張成盒子的帶號體積——一個隨定向翻號的行列式。

體積形式只需要定向,不需要度規——任何處處非零的最高階形式都行,而兩個這樣的形式相差一個正函數。但要得到幾何體積(如你期望的長度與角度),你需要帶著度規行列式平方根因子的度規體積形式;裸的 dx^dy^dz 只在笛卡爾座標下給出正確的體積。

又稱
volume elementtop-degree form体元體元