体积形式
数理科学术语
数学中,体积形式提供了函数在不同坐标系(比如球坐标和圆柱坐标)下对体积积分的一种工具。更一般地,一个体积元是流形上一个测度。
定义
流形M上一个体积形式是处处非0的最高阶(n-维流形上的n-形式)微分形式。
用线丛的语言来说,称最高阶外积为行列式线丛,n-形式是它的截面。
对不可定向流形,一个体积“伪”形式,也称为“奇”或“扭曲”的体积形式,可以定义为定向丛的一个处处非0截面;这个定义同样适用于定向流形。在这种看法下,(非扭曲的)微分形式就是“偶”n-形式。除非特别地讨论扭曲形式时,我们总是略去形容词“偶”。
第一次明确地引入扭曲微分形式是德拉姆。
定向
一个流形具有体积形式当且仅当它可定向,这也可以作为可定向的一个定义。
在G-结构的语言中,一个体积形式是一个SL-结构。因为是形变收缩(因为,这里正实数视为纯量矩阵),一个流形具有一个SL-结构当且仅当具有一个-结构,即是一个定向。
在线丛的语言中,行列式丛的平凡性等价于可定向性,而一个线丛是平凡的当且仅当它有一个处处非0的截面,这样又得到,体积形式的存在性等价于可定向性。
对于伪体积形式,一个伪体积形式是一个-结构,因为 同伦等价(事实上是形变收缩),任何流形都有伪体积形式。类似地,定向丛总是平凡的,所以任何流形都有一个伪体积形式。
和测度的关系
任何流形有一个伪体积形式,因为定向丛(作为线丛)是平凡的。给定一个定向流形上的体积形式ω,密度 |ω| 是忘掉定向结构的非定向流形的一个伪体积形式。
任何伪体积形式ω(从而任何体积形式亦然)定义了一个波莱尔集合上一个测度:
注意区别,在于任何一个测度可以在(Borel)子集上积分,而一个体积形式只能在一个“定向”胞腔上积分。在单变量微积分中,写成,将视为体积形式而不是测度,表明“在上沿着定向相反的反向积分”,有时记成。
进一步,一般的测度不必连续或光滑,他们不必由体积形式定义;或更形式地说,关于一个体积形式的Radon-Nikodym导数不必绝对连续。
例子
李群
任何李群,可以由平移定义一个自然的体积形式。这就是说,如果ωe是中一个元素,那么一个左不变形式可以定义为,这里Lg为左平移。作为一个推论,任何李群都是可定向的。这个体积形式在相差一个常数的意义下是惟一的,相应的测度称为哈尔测度。
辛流形
任何辛流形(或更确切地为殆辛流形)有一个自然的体积形式。如果M是一个带有辛形式ω的2n-维流形,那么由辛形式非退化可知ω处处非零。作为一个推论,任何辛流形是可定向的(事实上,已经定向)。
黎曼体积形式
任何黎曼流形(或伪黎曼流形)有一个自然的体积(或伪体积)形式。在局部坐标系下,能写成表达式:
这里流形为n-维,
这个体积形式有许多不同的记号,包括:
这里∗是霍奇对偶,从而最后一个形式∗(1)强调体积形式是流形上常数映射的霍奇对偶。
尽管希腊字母ω经常用于表示体积形式,但是这个记法很难通用,符号ω在微分几何中经常有其它意思(比如辛形式),所以一个公式中的ω不一定就表示体积形式。
一个流形如果既是辛的又是黎曼的,如果流形是凯勒的那种方式定义的体积形式相等。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 16:51
目录
概述
定义
定向
参考资料