微分形式与外微积分

拉回(pullback)

当你在积分里换变量——从 x 换到新变量,或用参数 u 与 v 描述曲面——你做代入,于是冒出一个雅可比因子。拉回就是这一代入对微分形式而言干净、自动的版本。给定一个把一个空间送入另一个空间的光滑映射 F,拉回(用一颗星记,F-star)把住在目标空间上的形式,通过纯粹的代入,变成源空间上的形式。

其配方恰是你已经在手算的那一套。要把 omega 沿 F 拉回,把每个坐标换成它用新变量表达的公式,把每个 dx 换成它的微分。若 F 把 (u, v) 送到 (x(u,v), y(u,v)),则 F-star 作用于 dx 是 x_u du + x_v dv,F-star 作用于 dy 是 y_u du + y_v dv;你把它们代入 omega 并用楔积规则化简。换元的雅可比行列式在你做楔时自己落出来:F-star 作用于 (dx^dy) 变成(雅可比)du^dv。所以拉回就是换元公式,只是由形式的代数记账,而不是当作一条单独的规则去记。

拉回正是让形式成为合适积分对象的那条性质。核心事实是:拉回与外微分可交换,F-star(d omega) = d(F-star omega),且与楔积可交换,于是整套微积分在任何坐标或参数化变更下原封不动地存活。这正是“形式的积分不依赖你如何参数化区域”的原因——重新参数化,拉回就用恰好所需的雅可比来调整被积式,使答案保持不变。它是“在参数化曲面上积分”背后的发动机,也是斯托克斯定理无关坐标的原因。

把面积形式 dx^dy 通过极坐标 x = r cos t、y = r sin t 拉回。则 F-star dx = cos t dr - r sin t dt,F-star dy = sin t dr + r cos t dt。做楔,交叉项给出 F-star(dx^dy) = r (cos^2 t + sin^2 t) dr^dt = r dr^dt——熟悉的 r dr d(theta) 面积元,自动产生。

把面积形式通过极坐标拉回,直接给你雅可比因子 r,无需任何额外规则。

即便映射 F 向前走,拉回却把形式向后送(从目标到源)。向量场不能这样干净地拉回——你只能把它们向前推,而且只有当 F 可逆时才行。这种不对称是形式相对于向量场的真正优势。

又称
pullback of a form拉回映射拉回映射