体积形式(volume form)
在 n 维空间上有一个特殊阶数的形式:n 阶,即最高阶,它度量完整的 n 维体积。体积形式是一个处处非零的 n-形式,它正是这样一个装置:喂入 n 个向量,返回它们张成的盒子的带号体积。在平直的 R^3 中,标准体积形式是 dx^dy^dz;喂入三个向量,你得到以这些向量为列的矩阵的行列式——你早已认识的带号体积。
两个角色使体积形式不可或缺。其一,它是你拿来与函数相乘求总量的对象:密度为 rho 的物体的质量是 rho 乘以体积形式的积分,在坐标下这就是熟悉的 rho dx dy dz 的三重积分。其二,体积形式恰是携带定向的东西:选定一个体积形式就等同于选定哪个方向为“正定向”,翻转它的号就把左手系换成右手系。一个空间恰在可定向时才容许整体的体积形式——这正是为何莫比乌斯带因不可定向而没有一致的体积形式,你也无法按通常方式在它上面积分最高阶形式。
在弯曲空间或曲线坐标中,体积形式不只是 dx^dy^dz;它从度规获得一个因子。在极坐标中它是 r dr^d(theta);在球坐标中它是 r^2 sin(phi) dr^d(theta)^d(phi);一般而言它是度规行列式的平方根乘以坐标形式。那个因子恰是你在任何换元中携带的雅可比缩放因子——所以体积形式是换元行列式的家,也是散度定理与流形上整套积分机器所环绕的对象。
在 R^3 中,给 dx^dy^dz 喂入三个列向量 u = (1, 0, 0)、v = (1, 2, 0)、w = (1, 1, 3)。结果是 [1, 1, 1; 0, 2, 1; 0, 0, 3] 的行列式 = 1*2*3 = 6,即它们张成的平行六面体的带号体积。把其中两个向量调换次序,答案变成 -6——这是形式记录下来的定向。
体积形式返回其输入所张成盒子的带号体积——一个随定向翻号的行列式。
体积形式只需要定向,不需要度规——任何处处非零的最高阶形式都行,而两个这样的形式相差一个正函数。但要得到几何体积(如你期望的长度与角度),你需要带着度规行列式平方根因子的度规体积形式;裸的 dx^dy^dz 只在笛卡尔坐标下给出正确的体积。