流形上的微分形式与Stokes定理
本文使用latex编写,pandoc生成,或有瑕疵,请参考 pdf版本。
引言
在数学分析的课内学习中, 王海涛老师向我们展示了微积分基本定理的大统一形式 \[\int_{M} d\omega = \int_{\partial M} \omega\] 并指出 \(<M,d\omega>\) 和 \(<\partial M,\omega>\) 存在一种对偶关系. 这样简洁的公式统一了 Newton-Leibniz Gauss Green Stokes 公式, 具有简洁的美感. 众所周知, Newton-Leibniz 定理又被称为微积分基本定理, 更可见该公式的重要性. 在证明 Gauss, Green, Stokes定理(狭义)时, 老师强调, 课本上的证明是直观的但不严格的, 严谨的证明是直接证明了流形上的统一公式.
然而课上限于时间有限, 老师只简要展示了这样的结果, 举例说明了微分形式的运算规则. 因此虽然我们能体会到公式中的美感, 却不能深刻理解公式中的运算逻辑, 而对于微分形式也仅限于形式上的变换, 不知道其确切的含义. 因此我选择了 <<流形上的微分形式与Stokes定理>> 作为我的小论文选题, 期望通过自己的了解建立起对对这套理论的严格的认知体系.
在本文中, 我首先定义了流形、流形上的定向和流形边界的诱导定向, 并证明了重要的流形上的单位分解存在定理.
然后, 用反称协变张量丛的概念定义了微分形式和外微分运算.在这一节, 我加深了对微分算子 \(d\) 的理解, 更重要的是, 明确了学习微积分以来一直遇到的 \(dx,df\) 这样的符号的含义. 这一节可能是本文中最为抽象的一节.
接着, 在明确了微分形式后, 定义了微分流形上的积分, 并证明了该积分的定义是恰当的. 流形的积分同样用到了流形的重要观点“局部线性化”, 在局部坐标系中, 直接定义为对应坐标下的重积分.而在全局则通过单位分解将函数分解为若干局部的加和.
最后, 在完成了上述准备工作后, 给出了 Stokes 定理的证明.
流形
流形的定义
在阐述流形之前,需要给出同胚的定义.
定义 1 (同胚). 如果在拓扑空间 \((X,\tau_X)\) 和 \((Y,\tau_Y)\) 之间的函数 \(f:X\to Y\) 具有下列性质:
\(f\) 是双射
\(f\) 是连续1的
\(f^{-1}\) 是连续的
则称 \((X,\tau_X)\) 和 \((Y,\tau_Y)\) 同胚.
定义 2 (流形). 如果豪斯多夫拓扑空间 \(M\) 具有可数拓扑基2, 并且满足 \(\forall x \in M\), 存在开邻域 \(U \ni x\) 与 \(\mathbb{R}^n\) 或者半空间 \(H^n=\{x\in\mathbb{R}^n \vert x^1 \le 0\}\) 同胚, 则称 \(M\) 为 \(n\) 维流形.
这里给出的定义包含流形与带边流形.
定义 3 (局部图). 对于流形 \(M\), 实现 定义 2 中的同胚的映射 \(\varphi:\mathbb{R}^n\to U\subset M\) (或 \(\varphi:H^n\to U\subset M\)) 称为流形 \(M\) 的局部图, \(\mathbb{R}^n\) (或 \(H^n\)) 称为其参数域, \(U\) 称为局部图在流形 \(M\) 上的作用域.
注解 1. 局部图的映射方向也可以反过来, 由 \(U\) 映射到 \(\mathbb{R}^n\) 或者 \(H^n\).
定义 4 (图册). 如果一组局部图的全体作用域能覆盖整个流形,则这一组局部图称为该流形的图册.
定义 5 (维度). 定义 2 中的数 \(n\) 称为流形 \(M\) 的维数, 记作 \(\dim M\).
维度的定义依赖于所有局部图的参数域的维度都是相同的,区域不变性定理给出保证.
定义 6 (边界). 对于定义 2 中的同胚 \(\varphi:H^n\to U\subset M\), 如果半空间 \(H^n\) 的边界 \(\partial H^n\) 上的点 \(\varphi^{-1}(x)\) 对应着点 \(x\in U\), 则称 \(x\) 为流形 \(M\) 的边界点. 流形 \(M\) 的所有边界点的集合称为该流形的边界, 记为 \(\partial M\).
注意,边界 \(\partial M\) 有良定义依赖于内点的拓扑不变性. 该不变性由克劳威尔定理给出.
定义 7. 具有非空边界点集的流形称为带边流形.
定理 2 (边界的维数). \(n\) 维带边流形 \(M\) 的边界 \(\partial M\) 是 \(n-1\) 维无边流形.
Proof. \(M\) 的图册中的局部图 \(\varphi_i:H^n\to U_i\) 同样是 \(\partial M\) 的局部图, 因为 \(\varphi_i:\partial H^n \to U'\subset \partial M\), 而 \(\partial H^n = \mathbb{R}^{n-1}\). 所有这样的局部图构成了 \(\partial M\) 的图册, 所以 \(\dim \partial M= n-1\).
由于 \(\partial M\) 的所有局部图的参数域都是 \(\mathbb{R}^{n-1}\), 因此 \(\partial M\) 是无边流形. ◻
在流形的内点去看流形,近似于一个完整的 \(\mathbb{R}^n\). 在边界点上看流形,是一个半空间 \(H^n\). 而在边界上的每一点看到的都近似是 \(\mathbb{R}^{n-1}\), 所以边界上的每个点都是内点.
很多时候,我们更关心“光滑”的流形. 因为流形中不具有度量,因此我们无法像刻画 \(R^n\) 中的曲面一样讨论流形的光滑性. 如果图册只由一张图构成,可以认为图册是无限光滑的.
如果流形 \(M\) 的两张图 \((U_i,\varphi_i)\), \((U_j,\varphi_j)\) 的作用域 \(U_i,U_j\) 相交, 则在集合 \(I_{ij}=\varphi_i^{-1}(U_j)\) 和 \(I_{ji}=\varphi_j^{-1}(U_i)\) 之间可以建立互逆同胚 \(\varphi_{ij}:I_{ij}\to I_{ji}\),\(\varphi_{ji}:I_{ji}\to I_{ij}\). \(\varphi_{ij}\) 和 \(\varphi_{ji}\) 被称为坐标代换函数.
定义 8 (光滑流形). 如果一个流形的图册中各图的所有坐标变换函数都是 \(C^{(k)}\) 类光滑映射, 则称该图册为 \(C^{(k)}\) 类光滑图册, 该流形称为 \(C^{(k)}\) 类光滑流形.
流形的定向
在 \(R^n\) 空间中,由一组标架向另一组标架的基变换矩阵的行列式必为正数或负数. 变换矩阵的行列式为正的标架可以划分至同一个定向标架类, 进而可以将空间的所有标架分为两个等价类.
光滑流形的定向通过其图册来确定.
定义 9 (相容). 在光滑流形中, 两个图称为相容的,如果在它们的公共作用域中, 坐标代换函数处处具有正的Jacobi行列式.
定义 10 (定向图册). 如果光滑流形 \((M,A)\) 的图册 \(A\) 由两两相容的图组成, 则称 \(A\) 为流形 \(M\) 的定向图册.
定义 11 (可定向流形). 具有定向图册的流形称为可定向流形.
一个连通流形要么不可定向,比如莫比乌斯环,要么有两种定向.
边界的定向
定理 3. 可定向光滑 \(n\) 维流形的边界是可定向 \(n-1\) 维流形, 它与原流形具有同样的光滑性.
在证明这个定理之前,我们先指出它的一个重要结果. 如果将流形 \(M\) 的定向图册的参数域限制在半空间 \(H^n\) 的边界 \(\partial H^n=\mathbb{R}^{n-1}\) 上, 其作用域也将自然地限制到带边流形 \(M\) 的边界 \(\partial M\) 上.
定义 12 (诱导定向). 如果 \(A(M)=\{(H^n,\varphi_i,U_i)\} \cup \{(\mathbb{R}^n, \varphi_j, U_j)\}\) 是流形 \(M\) 的定向图册, 则图集 \(A(\partial M)=\{ (R^{n-1}, \varphi_i \vert_{\partial H^n= R^{n-1}}, \partial U_i) \}\) 构成了流形 \(\partial M\) 的定向图册. 该图册给出的边界定向称为与流形 \(M\) 相容的边界定向, 即边界的诱导定向.
诱导定向的实质是,在边界附近,流形与其边界可以共用一套图册. 下面给出定理 3 的证明.
Proof. 只须证明,图集 \(A(\partial M)=\{ (R^{n-1}, \varphi_i \vert_{\partial H^n}, \partial U_i) \}\) 是两两相容的.
设坐标变换函数 \(\psi:H^n\to H^n\) 是微分同胚,且具有正的Jacobi行列式. 只要证明 \(\psi \vert_{\partial H^n}: R^{n-1}\to R^{n-1}\) 也具有正的Jacobi行列式.
根据已知的相容性条件,设 \(x\in H^n\),有 \[\begin{aligned} J_n(x)= \begin{vmatrix} \frac{\partial\psi^1}{\partial x^1} & \frac{\partial\psi^1}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^1}{\partial x^n} \\ \frac{\partial\psi^2}{\partial x^1} & \frac{\partial\psi^2}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^2}{\partial x^n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial\psi^n}{\partial x^1} & \frac{\partial\psi^n}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^n}{\partial x^n} \\ \end{vmatrix}(x) >0 \end{aligned}\]
当 \(x^1=0\), 由于 \(\psi(\partial H^n)\subset\partial H^n\), 则当 \(k \ge 2\) 时, \(\frac{\partial\psi^1}{\partial x^k} (x)=0\). 从而知 \[\begin{aligned} J_n(x) = \begin{vmatrix} \frac{\partial\psi^1}{\partial x^1} & 0 & \cdots & 0 \\ \frac{\partial\psi^2}{\partial x^1} & \frac{\partial\psi^2}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^2}{\partial x^n} \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial\psi^n}{\partial x^1} & \frac{\partial\psi^n}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^n}{\partial x^n} \\ \end{vmatrix}(x) = \frac{\partial\psi^1}{\partial x^1}(x) \begin{vmatrix} \frac{\partial\psi^2}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^2}{\partial x^n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial\psi^n}{\partial x^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^n}{\partial x^n} \\ \end{vmatrix}(x) > 0 \end{aligned}\]
取 \(y\in\partial H^n=\mathbb{R}^{n-1}\), 不妨记 \(y\) 的坐标 \(y=(0, y^2,\cdots,y^n)\), 则 \[\begin{aligned} J_{n-1}(y) = \begin{vmatrix} \frac{\partial\psi^2}{\partial y^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^2}{\partial y^n} \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ \frac{\partial\psi^n}{\partial y^2} & \cdots & \frac{\partial\psi^n}{\partial y^n} \\ \end{vmatrix}(y) = \frac{J_n(y)}{\frac{\partial\psi^1}{\partial y^1}(y)} \end{aligned}\]
由于 \(J_n(x)>0\),当 \(x^1=0\), 我们知道 \(\frac{\partial\psi^1}{\partial x^1}(x)\) 不等于 \(0\), 只需说明 \(\frac{\partial\psi^1}{\partial x^1}(x)\) 不是负数.
假设 \(\frac{\partial\psi^1}{\partial x^1}(x)<0\), 对 \(\psi^1\) 应用泰勒展开,固定 \(x_2,x_3,\cdots,x_n\), 记 \(x'=(\Delta x^1, x^2,\cdots,x^n)\), \[\psi^1(x') = \frac{\partial\psi^1}{\partial x^1}(x) \Delta x^1 + o(\Delta x^1)\] 所以存在 \(\Delta x^1 < 0\), \(\psi(x') > 0\), 也就是说, \(\psi(x') \not\in H^n\), 与 \(\psi\) 的定义矛盾.
这样,我们就说明了将 \(\psi\) 限制在 \(\partial H^n\) 后的行列式 \(J_{n-1}>0\), 也就是说, \(M\) 的定向图册限制到 \(\partial M\) 上之后,仍然是两两相容的,从而 \(\partial M\) 也是可定向的.
由于使用的是同一套图册,限制参数域后光滑性不变. ◻
单位分解存在性定理
单位分解可以将常映射 \(1\) 拆成至多可数个函数的和, 使得每个函数的支集都限制在局部.
定义 13 (单位分解). 设 \(\{U_\alpha\}_{\alpha\in\Gamma}\) 为微分流形 \(M\) 的开覆盖.如果存在至多可数个光滑函数 \(\{g_i:M\to R\}\) 满足
\(0\le g_i(x) \le 1\), \(\forall x\in M\),
对每一个 \(g_i\), 存在 \(\alpha(i)\in\Gamma\), 使得 \(\operatorname{supp}g_i \subset U_{\alpha(i)}\),
\(\forall x\in M\), 存在 \(x\) 的邻域 \(U\), 使得只有有限个 \(\operatorname{supp}g_i\) 与 \(U\) 的交集不为空.也就是说 \(\{ \operatorname{supp}g_i \}\) 是局部有限的,
\(\sum_{i} g_i(x)\equiv 1\), \(\forall x \in M\).
则称 \(\{g_i\}\) 为从属于开覆盖 \(\{U_\alpha\}_{\alpha\in\Gamma}\) 的一个单位分解.
下面我们说明, 微分流形上的单位分解总是存在的.
引理 4 (穷竭列). 对于任何微分流形, 均存在一列开集 \(\{G_i\}\) , 使得 \(\overline{G_i}\) 是紧的, 并且 \[\overline{G_i}\subset G_{i+1}, i\ge 1 \qquad \bigcup_{i}G_i=M\]
Proof. 构造法.首先 \(\forall x\in M\), 取 \(x\) 的邻域 \(V_x\) 使得 \(\overline{V_x}\) 是紧致的. 因为微分流形 \(M\) 有可数拓扑基, 因此存在至多可数个 \(x_i\) 使得 \(\{V_{x_i}\}\) 是 \(M\) 的开覆盖. 令 \(G_0=\varnothing\), \(G_1=V_{x_1}\).假设 \(G_1,\cdots,G_i\) 均定义好, 必存在 \(I\) 使得 \[\bigcup_{k\le i} \overline{G_k} \subset \bigcup_{j\le I} V_{x_j}\] 令 \(G_{i+1}=\bigcup_{j\le I} V_{x_j}\) 即可. ◻
引理 5 (鼓包函数). 在 \(\mathbb{R}^n\) 上存在光滑函数 \(f:\mathbb{R}^n\to \mathbb{R}\),使得 \[f(x) = \begin{cases} 1, & \left \| x \right \| \le \frac{1}{2} \\ 0, & \left \| x \right \| \ge 1 \end{cases}\]
定理 6 (单位分解定理存在性). 对于微分流形 \(M\) 的任何开覆盖 \(\{U_\alpha\}_{\alpha\in\Gamma}\) , 均存在从属于它的单位分解.
Proof. 令 \(\{G_i\}\) 为 \(M\) 的穷竭列(由引理知穷竭存在), 令 \(A_i = \overline{G_i}-G_{i-1}\). 易知 \(A_i\) 是紧致闭集, 且 \(\{A_i\}\) 是 \(M\) 的一个覆盖.
任给 \(x\in A_i\), 选取 \(x\) 的局部坐标系 \(U_x,\varphi_x\) 使得
存在 \(\alpha(x)\in \Gamma\), 使得 \(U_x \subset U_{\alpha(x)}\).
\(\varphi_x(U_x)=B_2(0)\)
\(\forall \vert j-i \vert > 1\), \(U_x \cap A_j = \varnothing\).
设 \(f\) 是 \(\mathbb{R}^n\) 上的鼓包函数, 定义函数 \(f_x:M\to \mathbb{R}\) \[f_x(p) = \begin{cases} f(\varphi_x(p)), & p\in U \\ 0, & p\in M-U \end{cases}\] 令 \(V_x=\varphi^{-1}(B_{\frac{1}{2}}(0))\), 则 \(\{V_x \vert x\in A_i\}\) 构成 \(A_i\) 的开覆盖, 可选出有限个点 \(x^i_1,\cdots,x^i_{k(i)}\) 使得 \(\{V_{x^i_j \vert 1\le j\le k(i)}\}\) 覆盖 \(A_i\).
这样的选择保证了每个点 \(x\in A\), \(\sum_{j\le k(i)} f_{x^i_j}(x)>0\), 且 \(\{\operatorname{supp}f_{x^i_j}\}\) 是局部有限的. 最后, 进行归一化.和函数 \[\psi(x)=\sum_{i}\sum_{j\le k(i)} f_{x^i_j}(x)\] 是 \(M\) 上的光滑函数, 且恒为正.从而 \(\{ \frac{f_{x^i_j}}{\psi}\}\) 为所求的从属于开覆盖的单位分解. ◻
微分形式
由来
在二维重积分 \(\iint_\Sigma f dxdy\) 中, 我们采用小矩形逼近的方式定义“面积”. 而在曲面积分中, 我们同样需要合理地定义“面积”.
我们自然地想问, 如何在 \(n\) 维空间中定义 \(k\) 维区域的“体积”? 更精确地说, 给定 \(n\) 维空间中的 \(k\) 个向量, 如何求这 \(k\) 个向量张成的 \(k\) 维平行立方体的体积? 当 \(k=n\) 时, 我们知道, 只需要对这 \(k\) 个向量求行列式, 就得到了体积. 当 \(k<n\) 时, 就是问能否定义一种运算, 接受 \(k\) 个向量, 输出体积. 这样的运算需要满足一些基本的性质, 比如线性性、反对称性.
切向量、切空间和切丛
切空间和切向量都是相对于流形上的一个点而言. 一点处的切空间是这一点处全体切向量的集合. 切丛是流形上全体切空间的并.
先以 \(\mathbb{R}^n\) 为例. 显然任意一点的切空间同样是 \(\mathbb{R}^n\). 首先给出断言, 切空间和线性微分算子构成的空间是等价的. 对于 \(p\)点的切向量 \(v_p\), 可以对任意一个可微函数 \(f\) 求 \(v_p\) 方向上的导数 \[v_p[f]=\frac{d}{dt}f(p+t v_p)=\sum_{i=1}^{n} \left.\frac{\partial f}{\partial x^i}\right|_p v_p^i\] 也就是说 \[v_p[\cdot]=\sum_{i=1}^{n} v_p^i \left.\frac{\partial \cdot}{\partial x^i}\right|_p\] 这样我们就构造了切空间和线性微分算子构成的空间 \(\{\frac{\partial}{\partial v}\}\) 的一个等价关系. 通过推广这个关系到流形上, 我们得到了流形上切向量的定义.
定义 14 (切向量). 记 \(C^\infty (M)\) 为微分流形 \(M\) 上光滑函数的全体组成的向量空间. 设 \(p\in M\), 如果线性映射 \(X_p : C^\infty(M) \to \mathbb{R}\) 满足 \[X_p(fg)=f(p) X_p g + g(p) X_p f, \forall f,g\in C^\infty(M)\] 则称 \(X_p\) 为 \(M\) 在 \(p\) 处的切向量.
定义 15 (切空间). 切向量的全体组成的向量空间称为 \(p\) 处的切空间, 记为 \(T_p M\). 记 \(T_p^\star M\) 为 \(T_p M\) 的对偶空间, 称为余切空间.
注解 7. \(T_p M\) 是维数为 \(\dim M\) 的有限维向量空间.
定义 16 (切丛). 设 \(M\) 是微分流形, 定义其切丛 \(TM\) 为 \[TM = \bigcup_{p\in M} T_p M\] 而其对偶丛 \[T^\star M = \bigcup_{p\in M} T_p^\star M\]
定义 17 (向量场). 定义投影映射 \(\pi: TM\to M\) 为 \(\pi(X_p)=p, \forall X_p\in T_p M\). 设 \(X:M\to TM\) 为 \(C^k\) 映射, 如果 \(\pi \circ X=id_M\) 为 \(M\) 上的恒等映射, 则称 \(X\) 为 \(M\) 上的 \(C^k\) 切向量场, 简称向量场.
粗略地说, 向量场 \(X\) 为每个点 \(p\in M\) 指定了一个切向量 \(X_p\).
如果 \((U_\alpha, \varphi_\alpha)\) 为 \(p\) 附近的局部坐标, 则 \(\left\{ \frac{\partial}{\partial x_\alpha^i} |_p \right\}_{i=1}^{n}\) 是 \(T_p M\) 的一组基. 在对偶空间 \(T_p^\star M\) 中, 有相应的对偶基, 记为 \(\left\{dx_\alpha^i (p)\right\}_{i=1}^{n}\), 即 \[dx_\alpha^i (p)(\frac{\partial}{\partial x_\alpha^j} |_p) = \delta_{ij}= \left\{\begin{matrix} 1, & i=j, \\ 0, & i\not= j. \end{matrix}\right.\] 也就是说, 局部坐标函数 \(\{x_i\}\) 定义了局部的余切向量场 \(dx^i\) \[dx^i : M \to T^\star M, p\mapsto dx^i(p)\]
一般地, 设 \(f:M\to R\) 是 \(M\) 上的光滑函数, 任给 \(p\in M\), \(X_p \in T_p M\), 定义 \(df(p)(X_p)=X_p f\), 于是 \(df: M \to T^\star M,p\to df(p)\) 是一个余切向量场. \(df\) 为光滑1-形式, 称为 \(f\) 的外微分. 我们将在后文中对微分形式进行严格定义. 在局部坐标下, \(df\) 可以表示为 \[df = \sum_{i=1}^{n} \left(\frac{\partial}{\partial x^i} f\right) dx^i\]
张量
在这一小节, 我们将简单介绍张量的运算, 而不细致展示证明.
定义 18 (张量). 设 \((r,s)\) 为非负整数对, \((r,s)\not=(0,0)\). 如果函数 \[\theta: T_p^\star M \times \cdots \times T_p^\star M \times T_p M \times \cdots \times T_p M \to R \quad (r \text{ 个 } T_p^\star M \text{ 和 } s \text{ 个 } T_p M)\] 对每个分量都是线性的, 则称 \(\theta\) 为 \(p\) 处的 \((r,s)\) 型张量, \(r\) 为逆变指数, \(s\) 为协变指数. 以 \(\otimes^{r,s} T_p M\) 表示 \(p\) 处 \((r,s)\) 型张量的全体, 在自然的加法和数乘之下成为向量空间.
我们称 \((r,0)\) 型张量为 \(r\) 阶逆变张量, \((0,s)\) 型的张量为 \(s\) 阶的协变张量.
定义 19 (张量积). 定义张量积运算 \[\begin{aligned} \otimes: \otimes^{r,s} T_p M \times \otimes^{t,h} T_p M & \to \otimes^{r+t,s+h} T_p M \\ (\theta,\eta) & \mapsto \theta\otimes\eta \end{aligned}\] 其中对于 \(W_i\in T_p^\star M\) ( \(1\le i\le r+t\) ), \(X_j \in T_p M\) ( \(1\le j\le s+h\) ), 有 \[\begin{aligned} \theta\otimes\eta & (W_1,\cdots, W_{r+t}; X_1, \cdots, X_{s+h}) \\ = & \theta(W_1,\cdots,W_r; X_1,\cdots,X_s) \cdot \eta(W_{r+1},\cdots,W_{r+t};X_{s+1},\cdots,X_{s+h}) \end{aligned}\]
可以验证, 张量积具有如下性质:
偏线性 \((\theta+\xi)\otimes\eta = \theta\otimes\eta + \xi\otimes\eta\), \(\theta\otimes(\xi+\eta) = \theta\otimes\xi + \theta\otimes\eta\), \((\lambda \theta)\otimes \eta = \theta\otimes(\lambda \eta) = \lambda \theta\otimes\eta\)
结合律 \((\theta\otimes\xi)\otimes\eta=\theta\otimes(\xi\times\eta)\)
\((\otimes^{r,s} T_p M) \otimes (\otimes^{t,h} T_p M)\) 与 \(\otimes^{r+t,s+h}T_p M\) 同构
注解 8. \(\otimes^{0,1} T_p M=T_p^\star M\), \(\otimes^{1,0}T_pM = T_p^{\star\star}M=T_p M\).
微分形式
微分形式是一种特殊的协变张量场.
定义 20 (外形式). 设 \(\omega\in \otimes^{0,s}T_p M\) 为 \(p\) 处的 \(s\) 阶协变张量, 如果任给切向量 \(X_1,\cdots,X_s\in T_p M\) 以及 \((1,2,\cdots,s)\) 的置换 \(\pi\), 均有 \[\omega(X_{\pi(1)},\cdots,X_{\pi(s)})=(-1)^\pi \omega(X_1,\cdots,X_s)\] 则称 \(\omega\) 为 \(s\) 阶反称协变张量或 \(s\) 阶外形式.
\(s\) 阶外形式的全体组成的子向量空间记为 \(\bigwedge^s T_p^\star M\).
定义 21 (反称化). 设 \(\theta\) 为 \(s\) 阶协变张量, 定义 \[\mathcal{A}(\theta)(X_1,\cdots,X_s)=\frac{1}{s!}\sum_{\pi}(-1)^\pi \theta(X_{\pi(1)},\cdots,X_{\pi(s)})\] 其中 \(\pi\) 取遍 \((1,\cdots,s)\) 的置换群.
称运算 \(\mathcal A\) 为反称化.
注解 9. 可以证明
映射 \(\mathcal A : \otimes^{0,s} T_p M \to \bigwedge^s T_p^\star M, \theta\mapsto\mathcal{A}(\theta)\) 的定义是恰当的
\(\theta\) 是反称协变张量当且仅当 \(\mathcal{A}(\theta)=\theta\).
定义 22 (外积). 设 \(\alpha\),\(\beta\) 分别为 \(r\),\(s\)阶反称协变张量, 我们定义一个 \(r+s\) 阶的反称协变张量 \(\alpha\wedge\beta\) \[\alpha\wedge\beta=\frac{(r+s)!}{r!s!} \mathcal(\alpha \otimes \beta)\]
映射 \(\wedge: \bigwedge^r T_p^\star M \times \bigwedge^s T_p^\star M \to \bigwedge^{r+s} T_p^\star M, (\alpha,\beta)\mapsto \alpha\wedge\beta\) 称为外积或楔积运算.
注解 10. 楔积运算具有如下性质:
偏线性, \(\alpha\wedge(\gamma+\delta)=\alpha\wedge\gamma+\alpha\wedge\delta\), \((\alpha+\beta)\wedge\gamma=\alpha\wedge\gamma+\beta\wedge\gamma\), \((\lambda \alpha)\wedge\gamma=\alpha\wedge(\lambda \gamma)=\lambda \alpha\wedge\gamma,\lambda\in\mathbb{R}\)
若 \(\alpha,\beta\) 分别为 \(r,s\) 阶反称协变张量, 则 \(\alpha\wedge\beta=(-1)^{rs}\beta\wedge\alpha\).
若 \(\alpha,\beta,\gamma\) 分别为 \(r,s,t\) 阶反称协变张量, 则 \[(\alpha\wedge\beta)\wedge\gamma=\alpha\wedge(\beta\wedge\gamma)= \frac{(r+s+t)!}{r!s!t!} \mathcal{A}(\alpha \otimes \beta \otimes \gamma)\]
设 \(\{e_i\}_{i=1}^{n}\) 为 \(T_p^\star M\) 的一组基, 记 \(\bigwedge T_p^\star M=\bigwedge^0 T_p^\star M \otimes \bigwedge^1 T_p^\star M \otimes \cdots \otimes \bigwedge^n T_p^\star M\), 其中 \(n=\dim M\), 则 \(\left\{1,e^i, e^i\wedge e^j,\cdots,e^1\wedge\cdots\wedge e^n\right\}\) 为 \(\bigwedge T_p^\star M\) 的基. 从而 \(\dim \bigwedge T_p^\star M = \binom{n}{0}+\cdots+\binom{n}{1}=2^n\). 外积运算可以自然地定义在 \(\dim \bigwedge T_p^\star M\) 上使之成为一个代数, 称为外代数.
如果 \((U_\alpha, \varphi_\alpha)\) 为 \(p\) 附近的局部坐标, 我们可以在局部将 \(s\) 阶反称协变张量 \(\omega\) 用基 \(\{dx_\alpha^{i_1},\cdots,dx_\alpha^{i_s}\}\) 表示为 \[\omega=\sum_{i_1<\cdots<i_s} \omega_{i_1 \cdots i_s} dx_\alpha^{i_1}\wedge\cdots\wedge dx_\alpha^{i_s}\] 其中 \(\omega_{i_1 \cdots i_s}=\omega(\frac{\partial}{\partial x_\alpha^{i_1}}\vert_p,\cdots,\frac{\partial}{\partial x_\alpha^{i_s}}\vert_p)\).
如果我们能说明 \(\omega\) 与坐标卡的选取无关, 也就是给出不同坐标间的转换公式, 就能合理地将局部的反称协变张量推广至张量丛. 可以证明, 如果 \((U_\beta,\varphi_\beta)\) 是 \(p\) 附近的另一局部坐标, \[\omega=\sum_{j_1<\cdots<j_s} \omega'_{j_1 \cdots j_s} dx_\beta^{j_1}\wedge\cdots\wedge dx_\beta^{j_s}\] 可得 \[\omega'_{j_1 \cdots j_s} = \sum_{i_1<\cdots<i_s} \det(\frac{\partial(\varphi_\alpha \circ \varphi_\beta^{-1})^{i_k}}{\partial x^{j_l}})_{s\times s} \cdot \omega_{i_1 \cdots i_s}\]
因此, 令 \(\bigwedge^s T^\star M=\bigcup^{p\in M} \bigwedge^s T_p^\star M\), 则 \(\bigwedge^s T^\star M\) 是 \(M\) 上的向量丛, 是张量从 \(\otimes^{0,s} TM\) 的子丛, 称为 \(s\) 阶外形式丛. 外形式丛的截面给出流形上的微分形式.
定义 23 (微分形式). 称 \(C^k\) 类光滑映射 \(\omega:M\to \bigwedge^s T^\star M\) 为 \(M\) 上的 \(s\) 次 \(C^k\) 微分形式, 或简称 \(s\) 形式.
微分形式之间可以自然地定义外积运算.
先前我们给出了流形上光滑函数 \(f\) 的在局部坐标下的外微分 \[df = \sum_{i=1}^{n} \left(\frac{\partial}{\partial x^i} f\right) dx^i\] 现在考虑将外微分运算推广到微分形式上.
定义 24 (外微分). 设 \(\omega\) 为 \(s\) 次微分形式, 对于任意光滑向量场 \(X_i\), 令 \[\begin{aligned} d\omega(X_1,\cdots,X_{s+1}) & = \sum_{i=1}^{s+1} (-1)^{i-1} X_i \omega(X_1,\cdots,\widehat{X_i},\cdots,X_{s+1}) \\ & = \sum_{i<j} (-1)^{i+j}\omega([X_i,X_j],X_1,\cdots,\widehat{X_i},\cdots,\widehat{X_j},\cdots,X_{s+1}) \end{aligned}\] 其中 \(\widehat{}\) 符号表示去掉该项, \([X_i,X_j]\) 是 Lie 括号. 则称 \(d\omega\) 为 \(\omega\) 的外微分.
注解 11. 我们需要说明 \(d\omega\) 是 \(s+1\) 次的微分形式, 这里略. 外微分算子 \(d\) 具有如下性质:
\(d(\lambda \omega + \mu \eta)=\lambda d\omega+\mu d\eta\),\(\forall \lambda,\mu\in\mathbb{R}\).
\(d(\omega \wedge \eta)=d\omega \wedge \eta + (-1)^r \omega\wedge d\eta\), \(\omega\) 为 \(r\) 次微分形式. 特别地, 设 \(0\) 形式 \(f\) 是光滑函数, \(d(f\cdot \omega)=df\wedge \omega + f\cdot d\omega\).
\(d^2=0\).
微分形式在可定向流形上的积分
设 \(M\) 是 \(n\) 维(带边)流形, 并在 \(M\) 上给定了一个定向. 设 \(\omega\) 为 \(M\) 上具有紧支集的 \(n\) 次微分形式, 即支集
\[\operatorname{supp}\omega=\overline{\{x\in M\vert \omega(x)\not=0\}}\] 为紧集.我们假定以下出现的局部坐标系均与给定定向相容.
支集含于局部
假设 \(\operatorname{supp}\omega \in U_\alpha\), 且在局部坐标邻域 \(U_\alpha\) 下 \(\omega\) 表示为 \[\omega=a_\alpha dx_\alpha^1\wedge\cdots\wedge dx_\alpha^n\] 其中 \(a_\alpha:M\to \mathbb{R}\). 定义 \(\omega\) 在 \(M\) 上的积分 \(\displaystyle \int_M \omega\) 为如下多元函数的积分 \[\int_{\varphi_\alpha(U_\alpha)} a_\alpha \circ \varphi_\alpha^{-1} dx_\alpha^1\cdots dx_\alpha^n\]
定理 12. 该定义与局部坐标的选取无关.
Proof. 设 \(\operatorname{supp}\omega\) 含于另一局部坐标 \(U_\beta\), 则在 \(U_\beta\) 中, \(\omega\) 可以表示为 \[\omega=b_\beta dx_\beta^1\wedge\cdots\wedge dx_\beta^n\] 则有 \(b_\beta=\det J(\varphi_\alpha \circ \varphi_\beta^{-1}) a_\alpha\), 因此积分值 \[\begin{aligned} \int_{\varphi_\beta(U_\beta)} b_\beta \circ \varphi_\beta^{-1} dx_\beta^1\cdots dx_\beta^n & = \int_{\varphi_\beta(U_\alpha \cap U_\beta)} b_\beta \circ \varphi_\beta^{-1} dx_\beta^1\cdots dx_\beta^n \\ & = \int_{\varphi_\alpha(U_\alpha \cap U_\beta)} \vert\det J(\varphi_\alpha \circ \varphi_\beta^{-1})\vert b_\alpha \circ \varphi_\alpha^{-1} dx_\alpha^1\cdots dx_\alpha^n \\ & = \int_{\varphi_\alpha(U_\alpha)} a_\alpha \circ \varphi_\alpha^{-1} dx_\alpha^1\cdots dx_\alpha^n \end{aligned}\] ◻
有限项和
设 \(\omega=\sum_{i=1}^k \omega_i\), 且 \(\omega_i\) 的支集均含于某一个局部坐标邻域 \(U\) 中, 则 \(\omega\) 的支集也含于 \(U\) 中, 定义 \[\int_M \omega = \sum_{i=1}^k \int_M \omega_i\]
完整流形
由于 \(\omega\) 是具有紧支集的 \(n\) 次微分形式, 存在 \(\operatorname{supp}\omega\) 的一个有限局部坐标覆盖, 存在从属于该覆盖的单位分解 \(\{\varphi_\alpha\}\), 定义 \[\int_M \omega = \sum_{\alpha}\int_M \varphi_\alpha \cdot \omega\]
这里需要说明的是, 该定义与具体的坐标覆盖和单位分解的选取无关.
如果有另一个坐标覆盖和对应的单位分解 \(\{\psi_\beta\}\), 对每个固定的指标 \(\alpha\), \[\int_M \varphi_\alpha \omega = \sum_{\beta} \int_M \psi_\beta \varphi_\alpha \omega\] 右边的指标 \(\beta\) 只会取到有限项.同理有 \[\int_M \varphi_\beta \omega = \sum_{\alpha} \int_M \varphi_\alpha \psi_\beta \omega\] 因此 \[\begin{aligned} \sum_{\alpha}\int_M \varphi_\alpha \omega & = \sum_{\alpha} \sum_{\beta} \int_M \psi_\beta \varphi_\alpha \omega \\ & = \sum_{\beta} \sum_{\alpha} \int_M \psi_\beta \varphi_\alpha \omega \\ & = \sum_{\beta} \int_M \psi_\beta \omega \\ \end{aligned}\] 因此如上定义无歧义.
Stokes’ theorem
定理 13. 设 \(M\) 为 \(n\) 维带边流形, \(\omega\) 为 \(M\) 上具有紧支集的 \(n-1\) 次微分形式, 则 \[\int_M d\omega = \int_{\partial M} \omega\] 其中 \(\partial M\) 上的定向为诱导定向.
Proof. 通过单位分解, 不妨设 \(\operatorname{supp}\omega\) 含于坐标邻域 \(U\) 中, \(\varphi\) 为 \(U\) 上的坐标映射. 由坐标映射的连续性, 有 \[\varphi(U\cap\partial M)=\varphi(U)\cap \partial H^n\] \(n-1\) 次微分形式 \(\omega\) 在 \(U\) 中可以表示为 \[\omega = \sum_{i=1}^{n} (-1)^{i-1} a_i dx^1\wedge\cdots\wedge\widehat{dx^i}\wedge dx^n\] 从而 \[d\omega = \sum_{i=1}^{n} \frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^1\wedge\cdots\wedge dx^n\]
下面分两种情况讨论
\(\partial M \cap U = \varnothing\). \[\begin{aligned} \int_M d\omega = \int_U d\omega & = \sum_{i=1}^n \int_{\varphi(U)} \frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^1\cdots dx^n = \sum_{i=1}^n \int_{\mathbb{R}^n} \frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^1\cdots dx^n \\ & = \sum_{i=1}^n \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \left(\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^i\right) dx^1\cdots\widehat{dx^i}\cdots dx^n \\ & = \sum_{i=1}^n \int_{\mathbb{R}^{n-1}} a_i \vert_{x_i=-\infty}^{x_i=+\infty} dx^1\cdots\widehat{dx^i}\cdots dx^n \\ & = \sum_{i=1}^n \int_{\mathbb{R}^{n-1}} 0 dx^1\cdots\widehat{dx^i}\cdots dx^n \\ & = 0 \\ \end{aligned}\] 其中, 因为 \(\operatorname{supp}\omega\) 紧支, 因此 \(a_i\) 在 \(\pm\infty\) 处取值为 \(0\).
另一方面, 在边界上, 由于 \(\partial M \cap U = \varnothing\), 所以 \(\int_{\partial M} \omega =0\). 所以 \(\partial M \cap U = \varnothing\) 时有 \[\int_{\partial M} \omega =0 = \int_M d\omega\]
\(\partial M \cap U \not= \varnothing\).此时, \[\begin{aligned} \int_M d\omega & = \int_{\varphi(U)} \sum_{i=1}^n \frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^1\cdots dx^n \\ & = \sum_{i=1}^n \int_{H^n} \frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^1\cdots dx^n \\ & = \int_{H^n} \frac{\partial a_1}{\partial x^i} dx^1\cdots dx^n + \sum_{i=2}^n \int_{H^n} \frac{\partial a_i}{\partial x^i} dx^1\cdots dx^n \\ & = \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \left(\int_{-\infty}^{0}\frac{\partial a_1}{\partial x^i} dx^1\right) dx^2\cdots dx^n + 0 \\ & = \int_{\mathbb{R}^{n-1}} a_1\vert_{x^1=-\infty}^{x^1=0} dx^2\cdots dx^n \\ & = \int_{\partial H^n} a_1(0,x^2,\cdots,x^n) dx^2\cdots dx^n \\ \end{aligned}\]
另一方面, \(\forall p\in \partial M, X\in T_p \partial M\), \(dx^1(p)(X)=0\), 因此对于 \(i\not=1\), \[\begin{aligned} \int_{\partial M} dx^1 \wedge \cdots \wedge \widehat{dx^i} \wedge dx^n = 0 \end{aligned}\] 从而 \[\begin{aligned} \int_{\partial M}\omega & = \int_{\partial M} a_1 dx^2 \wedge \cdots \wedge dx^n \\ & = \int_{\partial H^n} a_1 dx^2 \cdots dx^n \\ \end{aligned}\] 因此当 \(\partial M \cap U \not= \varnothing\) 时, \[\int_M d\omega=\int_{\partial M}\omega\]
综上两种情况, 结合单位分解, 对任意 \[\int_M d\omega=\int_{\partial M}\omega\] ◻
结语
终于证明完了 Stokes 定理, 我内心是喜悦的. 但我知道证明一个结论或许重要, 但更重要的是我们证明它时所采用的方法和建立的体系.
在微分流形中, 我们建立了切向量、切空间、向量丛、张量丛等体系, 从中导出反称协变张量丛作为微分形式, 并以此定义了流形上的积分. 在更广泛的范畴下, 或许有更多的有意思的定理、方法待我探索.
由于受到笔者理解能力和时间上的限制, 我仅能摘取一些定义和概要, 对于很多细节都只能加以省略. 比如对于 取边界 与 求外微分 这两个操作的联系, 我尚不能给出更直观的解释, 这可能需要我阅读更多相关的书籍. 又比如, 在文中涉及到的Lie括号等, 需要用到 Lie群的相关理论, 而我尚未深入了解.
致谢
感谢 王海涛老师 引领我了解数学分析中的有趣内容
感谢 陈翌佳老师 教导我的线性代数知识带给了很大帮助
感谢 邵奇助教 推荐我梅加强先生的书<<流形与几何初步>>
感谢 田子桐学长 解答我的疑问