微分形式与外微积分

广义斯托克斯定理(generalized Stokes' theorem)

/ STOHKS /

这是整个领域的顶峰,而它一行写得下:d omega 在一个区域上的积分,等于 omega 在该区域边界上的积分。用符号写,omega 的外微分在 M 上的积分,等于 omega 在 M 的边界上的积分。它说:要把一个量在区域内部各处的变化累加起来,你只需看它在边缘一圈上的取值——内部的变化,边沿上的总和。

它的威力在于:它作为特例,囊括了向量微积分的每一条积分定理。取区域为一个区间、omega 为 0-形式:你得到微积分基本定理,f' 的积分等于 f 在端点上的值。取平面区域、omega 为 1-形式:你得到格林定理。取空间中的曲面、omega 为 1-形式:你得到经典的斯托克斯(旋度)定理。取一个实体、omega 为 2-形式:你得到散度定理。它们不是四条定理,而是一条定理在四个阶数上的样子;它们在向量微积分里看起来如此不同,唯一的原因是梯度、旋度、散度只是同一个算子 d 穿着三套戏服。

诚实的小字是真实的,值得说清。区域必须是定向的带边流形,边界必须携带诱导定向(让各个号正确出来的约定)。形式必须在含边界的区域上光滑,或至少连续可微。内部不能有缺失的点或奇点——角度形式展示了当区域里有一个形式在其处爆掉的洞时会出什么错。在这些前提之内,定理精确而绝对,它也是物理中守恒律既能写成局部微分律、又能写成整体通量平衡的结构性原因。

取单位圆盘 D 与 1-形式 omega = x dy。则 d omega = dx^dy,所以 d omega 在 D 上的积分是面积 pi。定理说这等于 omega = x dy 沿边界圆的积分,我们在积分例子里算出它是 pi。两个 pi 相符——这一举就是格林定理与面积公式。

同一个数 pi,一次作为内部的面积、一次作为边缘上的环流算出——斯托克斯在起作用。

定理需要定向与光滑性;它不是免费通行证。当区域内部有洞或奇点时——如角度形式的原点——朴素的等式失效,你必须要么把坏点排除(添上它自己的一小圈边界),要么接受一个非零的亏量,而这亏量恰是该形式所代表的上同调类。

又称
Stokes' theorem on manifoldsfundamental theorem of exterior calculus广义斯托克斯公式廣義斯托克斯公式