閉形式與恰當形式(closed and exact forms)
這兩個詞依微分形式與外微分 d 的關係把它們分類。一個形式若被 d 消滅——它的外微分為零——就是閉的。一個形式若它本身就是某物的 d——它是一個導數——就是恰當的。物理圖像:閉的 1-形式像旋度為零的力場(局部保守),而恰當的 1-形式像真正是某個位勢梯度的場。有趣的問題是:「局部保守」何時無法成為「整體是梯度」。
精確地說:k-形式 omega 若 d omega = 0 則為閉,若 omega = d eta 對某個 (k-1)-形式 eta 成立則為恰當。因為 d^2 = 0,每個恰當形式自動是閉的:d(d eta) = 0。所以恰當形式坐落在閉形式之內。德拉姆上同調的全部問題就是它的逆命題:每個閉形式都恰當嗎?答案在局部上為是(龐加萊引理),但整體上可能失敗,而這個失敗——每個次數上的商 (閉形式)/(恰當形式)——恰好就是 H^k_dR(M)。用上鏈複形的語言,閉 = 上閉鏈(在 d 的核中),恰當 = 上邊界(在 d 的像中)。
這是本領域的核心。一個閉形式是否恰當是一個拓樸問題:去心平面上的形式 d theta(角度形式)是閉的卻不恰當,恰恰因為平面有個洞,而它無法恰當這件事偵測到了那個洞。一個標準的提醒:「閉」與「恰當」是依次數而定、且是整體的概念。一個形式可以在小球上恰當卻在整個流形上不恰當;恰當性絕非逐點性質,因為它要求一個處處同時定義的整體原函數 eta。
在去心平面 R^2 去掉原點上,1-形式 omega = (-y dx + x dy)/(x^2 + y^2) 是閉的(你可以直接驗證 d omega = 0),卻不恰當:它繞單位圓的積分是 2 pi 而非零,而每個恰當形式繞任何迴圈積分都為零。在局部上它等於 d(arctan(y/x)) = d theta,但角度函數 theta 無法在整個去心平面上連續地定義——那個洞阻礙了整體原函數。這單一形式生成了 H^1_dR(R^2 去掉一點) = R。
角度形式是課本上閉而不恰當的標準例子;它非零的迴圈積分量度了它無法跨越的那個洞。
閉並不蘊含恰當——那道落差正是上同調的全部內容。反過來,恰當嚴格強於閉。並請注意,d theta 在去心平面上是一個貨真價實的整體 1-形式,儘管 theta 不是整體函數;別把「某物的 d」讀成「整體恰當」。