微分形式与外微积分

恰当形式(exact form)

若一个形式是另一个形式的外微分,就称它恰当:当存在 eta 使 omega = d eta 时,omega 恰当。这个 eta 叫做 omega 的势或原像。这是“拥有原函数”的形式语言版本——恰当之于形式,正如“拥有势函数”之于向量场。

为何在意?因为恰当性正是让积分变得容易而与路径无关的东西。若 omega = d eta,则广义斯托克斯定理把 omega 在区域上的积分变成 eta 仅在边界上的积分,而对 1-形式这就是微积分基本定理:df 沿从 A 到 B 的曲线的积分就是 f(B) - f(A),只依赖端点。恰当 1-形式绕任意闭回路积分为零,这恰是“拥有势的力场在往返一周中不做净功”的陈述——一个保守场。所以“恰当”就是“保守”的形式论名字。

每个恰当形式都是闭的(因为 d 平方等于零),所以恰当是更强的条件。一个给定的闭形式是否真的恰当,取决于定义域的拓扑:在没有洞的区域上,庞加莱引理保证闭蕴含恰当,而你可以沿径向路径显式积分把势构造出来。在有洞的区域上,某些闭形式拒绝恰当,而这些顽固形式的计数正是德拉姆上同调所度量的。在实践中,寻找势就是你大一微积分里做过的那种找原函数,只不过现在按阶数组织起来。

1-形式 omega = y dx + x dy 恰当:它等于 d(xy),因为 d(xy) = y dx + x dy。所以它从 (0, 0) 到 (3, 2) 的线积分就是 xy 在端点上的取值,3*2 - 0 = 6,无论你走哪条路。势 xy 扮演原函数的角色。

恰当 1-形式积出端点值之差——形式语言里的微积分基本定理。

势在存在时从不唯一:你可以给 eta 加上任意闭形式而不改变 d eta。对 1-形式这就是给势函数加常数的那种熟悉自由;在规范理论中它就是规范自由本身。

又称
exact differential form恰当微分形式恰當微分形式