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形式积分


一个 微分k-形式 可以在一个 n流形 上积分。最基本的例子是一个在 nR^n 单位开球中的 n-形式 alpha。由于 alpha 是一个 顶维形式,它可以被写作 alpha=fdx_1 ^ ... ^ dx_n,因此

 int_Balpha=int_Bfdmu,
(1)

其中该积分是 勒贝格积分

在一个被 坐标图 U_i 覆盖的 流形 M 上,存在一个 单位分解 rho_i 使得

1. rho_i支集U_i 中,并且

2. sumrho_i=1.

然后

 int_Malpha=sumint_(U_i)rho_ialpha,
(2)

其中右侧是 良定义的,因为每次积分都在一个 坐标图 中进行。 n-形式 alpha 的积分是 良定义的,因为在坐标变换 g:X->Y 下,积分根据 雅可比矩阵 的行列式进行变换,而一个 n-形式通过 雅可比矩阵 的行列式拉回。因此,

 int_Xg^*(alpha)=int_X||J||f(g(x))=int_Yf(y)
(3)

在任一 坐标图 中,积分都是相同的。

例如,有可能在 球面 S^2 上积分 2-形式

 alpha=zdx ^ dy-ydx ^ dz+xdy ^ dz
(4)

由于一个点具有 零测度,在 S^2-(0,0,1) 上积分 alpha 就足够了,S^2-(0,0,1) 可以被 球极投影 phi:R^2->S^2-(0,0,1) 覆盖。 由于

 phi(x,y)=((2x)/(1+r^2),(2y)/(1+r^2),(1-r^2)/(1+r^2))
(5)

拉回映射 alpha

 phi^*(alpha)=4/((1+r^2)^2)dx ^ dy,
(6)

alphaS^2 上的积分是

 intint4/((1+r^2)^2)2pirdrdtheta=4pi.
(7)

请注意,通过 斯托克斯定理,这个计算可以更轻松地完成,因为 dalpha=3dx ^ dy ^ dz


另请参阅

德拉姆上同调, 斯托克斯定理, 子流形, 顶维形式, 体积形式

此条目由 Todd Rowland 贡献

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请引用为

Rowland, Todd. "形式积分." 来源 MathWorld--Wolfram Web Resource,由 Eric W. Weisstein 创建. https://mathworld.net.cn/FormIntegration.html

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