微分形式與德拉姆上同調

形式的拉回(pullback of a form)

假設你有一個從流形 M 到另一個流形 N 的光滑映射 f,以及一個住在目標 N 上的微分形式 omega。拉回 f^*omega 就是你把那個形式倒拉回 M 的方式——你用 omega 在 N 上量度事物,卻把答案讀在 M 這一邊。這名字很貼切:形式的流向與映射相反。正是這個運算使形式成為代換與換變數的自然語言。

具體地說,對光滑映射 f: M -> N 與 N 上的 k-形式 omega,拉回 (f^*omega)_p 對 M 中一點 p 處的切向量 v_1, ..., v_k 的作用為:先用微分 df_p 把它們推前,再用 omega 求值:(f^*omega)_p(v_1, ..., v_k) = omega_{f(p)}(df_p v_1, ..., df_p v_k)。對函數(0-形式)g,f^*g = g 與 f 的合成。拉回是線性的,與楔積可交換(f^*(alpha^beta) = f^*alpha ^ f^*beta),且關鍵地與外微分可交換:f^*(d omega) = d(f^*omega)。在座標下你就是直接代入:若 y = f(x),把每個 y^j 換成它的公式、把每個 dy^j 換成 d(f^j) = sum (partial f^j / partial x^i) dx^i。

拉回無處不在。它正是積分的換變數法則(雅可比經由楔積自動出現),是你把形式限制到子流形的方式;又因為 f^* 與 d 可交換,它下降為上同調上的映射 f^*: H^k_dR(N) -> H^k_dR(M),這是同倫不變性與函子性的基礎。一個要記住的關鍵不對稱性:形式沿任意光滑映射都能拉回,但向量場一般不能推前,除非 f 是微分同胚。正是這種反變性使形式比向量場靈活得多。

極座標:f(r, theta) = (r cos theta, r sin theta) 把 (r, theta)-平面映到 (x, y)-平面。拉回面積形式 dx ^ dy:代入 dx = cos theta dr - r sin theta d theta、dy = sin theta dr + r cos theta d theta,做楔積,dr ^ d theta 中的交叉項給出 f^*(dx^dy) = r dr ^ d theta。因子 r 恰好是雅可比——換變數公式自動從楔積掉出來。

把面積形式經極座標拉回,自動產生「r dr d theta」中的那個 r;拉回就是換變數。

因為 f^* 與 d 可交換,它把閉形式送到閉形式、恰當送到恰當,故能作用在上同調上——但只對光滑映射如此;僅僅連續的映射需要德拉姆定理才能作用在德拉姆上同調上。此外,拉回會使形式塌縮:把一個非最高次形式沿映到較低維流形的映射拉回,可能變為零。

又称
pullback拉回f^*