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體積形式

鎖定
數學中,體積形式提供了函數在不同座標系(比如球座標和圓柱座標)下對體積積分的一種工具。更一般地,一個體積元是流形上一個測度。
在一個定向n-維流形上,體積元典型地由體積形式生成,所謂體積元是一個處處非零的n-階微分形式。一個流形具有體積形式當且僅當它是可定向的,而可定向流形有無窮多個體積形式(細節見下)。
有一個推廣的偽體積形式概念,對無論可否定向的流形都存在。
許多類型的流形有典範的(偽)體積形式,因為它們有額外的結構保證可選取一個更好的體積形式。在復情形,一個帶有全純體積形式的凱勒流形是卡拉比-丘流形。
中文名
體積形式
分    類
數理科學

體積形式定義

流形M上一個體積形式是處處非0的最高階(n-維流形上的n-形式)微分形式。
用線叢的語言來説,稱最高階外積
為行列式線叢,n-形式是它的截面。
對不可定向流形,一個體積“偽”形式,也稱為“奇”或“扭曲”的體積形式,可以定義為定向叢的一個處處非0截面;這個定義同樣適用於定向流形。在這種看法下,(非扭曲的)微分形式就是“偶”n-形式。除非特別地討論扭曲形式時,我們總是略去形容詞“偶”。
第一次明確地引入扭曲微分形式是德拉姆。

體積形式定向

一個流形具有體積形式當且僅當它可定向,這也可以作為可定向的一個定義。
在G-結構的語言中,一個體積形式是一個SL-結構。因為
是形變收縮(因為
,這裏正實數視為純量矩陣),一個流形具有一個SL-結構當且僅當具有一個
-結構,即是一個定向。
在線叢的語言中,行列式叢
的平凡性等價於可定向性,而一個線叢是平凡的當且僅當它有一個處處非0的截面,這樣又得到,體積形式的存在性等價於可定向性。
對於偽體積形式,一個偽體積形式是一個
-結構,因為
同倫等價(事實上是形變收縮),任何流形都有偽體積形式。類似地,定向叢總是平凡的,所以任何流形都有一個偽體積形式。

體積形式和測度的關係

任何流形有一個偽體積形式,因為定向叢(作為線叢)是平凡的。給定一個定向流形上的體積形式ω,密度 |ω| 是忘掉定向結構的非定向流形的一個偽體積形式。
任何偽體積形式ω(從而任何體積形式亦然)定義了一個波萊爾集合上一個測度:
注意區別,在於任何一個測度可以在(Borel)子集上積分,而一個體積形式只能在一個“定向”胞腔上積分。在單變量微積分中,寫成
,將
視為體積形式而不是測度,
表明“在
上沿着定向相反的反向積分”,有時記成
進一步,一般的測度不必連續或光滑,他們不必由體積形式定義;或更形式地説,關於一個體積形式的Radon-Nikodym導數不必絕對連續。

體積形式例子

體積形式李羣

任何李羣,可以由平移定義一個自然的體積形式。這就是説,如果ωe是
中一個元素,那麼一個左不變形式可以定義為
,這裏Lg為左平移。作為一個推論,任何李羣都是可定向的。這個體積形式在相差一個常數的意義下是惟一的,相應的測度稱為哈爾測度。 [1] 

體積形式辛流形

任何辛流形(或更確切地為殆辛流形)有一個自然的體積形式。如果M是一個帶有辛形式ω的2n-維流形,那麼由辛形式非退化可知ω處處非零。作為一個推論,任何辛流形是可定向的(事實上,已經定向)。

體積形式黎曼體積形式

任何黎曼流形(或偽黎曼流形)有一個自然的體積(或偽體積)形式。在局部座標系下,能寫成表達式:
這裏流形為n-維,
是流形上度量張量行列式的絕對值,{\displaystyle dx^{i}}為組成流形餘切叢一組基的1形式。
這個體積形式有許多不同的記號,包括:
這裏∗是霍奇對偶,從而最後一個形式∗(1)強調體積形式是流形上常數映射的霍奇對偶。
儘管希臘字母ω經常用於表示體積形式,但是這個記法很難通用,符號ω在微分幾何中經常有其它意思(比如辛形式),所以一個公式中的ω不一定就表示體積形式。
一個流形如果既是辛的又是黎曼的,如果流形是凱勒的那種方式定義的體積形式相等。
參考資料
  • 1.    吳炳燁. Finsler幾何中體積形式與子流形[J]. 數學年刊:中文版, 2006, 27(1):53-62.