微分形式与外微积分

闭形式(closed form)

当一个微分形式的外微分为零,即 d omega = 0 时,称它为闭形式。这名字与“闭合回路”同宗——施加 d 时什么也没在变,所以这个形式没有 d 能探测到的内部扭转或源。对平面上的 1-形式,P dx + Q dy 闭的充要条件恰是 Q_x = P_y,也就是你也许记得的、判定保守场的混合偏导相等条件。

“闭”是“恰当”那个更弱、更局部的表亲。每个恰当形式自动是闭的,因为 d 平方等于零:若 omega = d eta,则 d omega = d(d eta) = 0。反过来——是否每个闭形式都恰当?——才是有趣的问题,答案取决于空间的形状。在局部(任意小球上,或任何没有洞的区域上),庞加莱引理说“是”:闭就蕴含恰当。在整体上它可能失败,而这种失败恰恰就是形式探测区域拓扑的方式。

经典的告诫故事是平面去掉原点上的 omega = (-y dx + x dy)/(x^2 + y^2)。直接计算表明 d omega = 0,所以 omega 是闭的;然而它绕原点一圈的积分是 2 pi 而不是零,这是恰当形式绝不可能产生的。所以 omega 闭而不恰当。这单一的不匹配正是德拉姆上同调的种子,在物理中它恰是那个角度微分,其非零的回路积分昭示原点处的洞——这与卷绕数、阿哈罗诺夫-玻姆相位,以及无法消去的环流背后是同一种结构。

omega = (2xy) dx + (x^2 + 1) dy 在整个平面上闭吗?这里 P = 2xy 且 Q = x^2 + 1,于是 P_y = 2x 与 Q_x = 2x;它们相等,所以 d omega = 0,omega 闭。由于平面没有洞,庞加莱引理还使它恰当:omega = d(x^2 y + y)。

“闭”是一个微积分检验(混合偏导相等);它是否还恰当,则是一个拓扑问题。

闭不等于恰当。去心平面上角度形式的全部要点就在于:只要定义域有洞,就存在闭而不恰当的形式;把两者等同是这里最常见的单一错误。

又称
closed differential form闭微分形式閉微分形式