形式的积分(integration of a form)
微分形式生来就是为了被积分,而匹配规则美得严丝合缝:k-形式正是你在 k 维区域上积分的对象。0-形式(函数)在 0 维区域(一个点)上的“积分”就是在那里取值。1-形式在曲线上积分,2-形式在曲面上,3-形式在立体上。形式的阶数必须等于定义域的维数,否则积分根本无从谈起。
在操作上,你通过参数化区域并把形式拉回到参数空间来积分一个 k-形式,在那里它变成一个普通的多重积分。要在由一个从 u-v 矩形出发的映射给出的曲面 S 上积分 omega,你计算拉回 F-star omega,它落成(某函数)du^dv,然后你把这个函数当作矩形上的普通二重积分去积。由于拉回自动携带雅可比,你从不单独去记换元因子——r dr d(theta) 与曲面元的缩放会自己出现。区域的定向决定整体的号:反转定向,积分变号,呼应形式自身的反对称性。
这单一框架把线积分、曲面通量积分、普通体积积分都作为特例吞下——它们全都是“在定向区域上积分匹配阶数的形式”。回报是广义斯托克斯定理可以对它们一次性陈述:d omega 在区域上的积分等于 omega 在边界上的积分。又因为整个构造建立在拉回之上,答案是真正几何的——与你恰好选取的参数化无关。
在单位圆上积分 1-形式 omega = x dy,用 x = cos t、y = sin t(t 属于 [0, 2 pi])参数化。拉回:dy 变成 cos t dt,所以 F-star omega = cos t * cos t dt = cos^2 t dt。cos^2 t 在 [0, 2 pi] 上的积分是 pi——恰好是所围面积,这是格林定理的一个暗示。
在曲线上积分 1-形式,经由拉回,归结为参数里的普通单重积分。
积分随定向变号,所以只有在你固定区域定向后,形式的积分才有定义。这与用于总质量或弧长的函数无号积分不同——那里你对面元取绝对值,定向无关紧要。