一.1-形式的外导数

函数f被认为是0-形式。当将外导数d作用于f时,它产生f的梯度1-形式df,用它可以计算出f在每一个可能的方向上变化得有多快。

d作用于1-形式df沿特定方向u的变化率

用d可以算出每一个可能方向上的变化率,它将0-形式f的次数增加1,使得可以再输入一个向量,算出0-形式f沿着这个向量的变化率。

求1-形式Φ的导数获得2-形式的dΦ,然后将它们作用于一对向量u和v(u,v为向量场)dΦ(u,v),

u方向变化率

必然是关于这对向量反对称的,但上图这个表达式不是反对称的。我们可以通过减去u↔v情况下的相同表达式,使之具有反对称性:

对应于Φ的向量Φ来表示它对向量的作用:

这个公式是用几何方式定义的,与任何基和坐标的选择无关.那么可简单地选择向量场是不变的,使得它们的换位子Φ([u,v])为零。

用1-形式的笛卡儿基来表示公式:

二. 2-形式和p-形式的外导数

推广d的定义,使之可以作用于p-形式ψ,从而产生(p+1)-形式dψ并且用这个(p+1)-形式算出ψ在每一个方向上的变化率。

d在2-形式ψ上的作用,是一个3-形式。

d作用于p-形式φ,从而创建(p+1)-形式dφ。

三. 形式的莱布尼茨法则

首先把d看作一个1-形式。然后在d(φΛψ)右边的d到达ψ之前,必须将它推到φ的所有1-形式后面,导致正负号改变degφ次。

四. 闭形式和恰当形式

  1. d²=0

推广到任意的p-形式:

可视化微分几何之形式外导数

dφ²=0

  1. 闭形式和恰当形式

闭形式是对不可压缩流体流动的通量2-形式的高维模拟。

如果一个p-形式是某个(p-1)-形式的外导数,则称这个p-形式是恰当的:

ψ是γ的位势

  1. 复分析:柯西-黎曼方程

  1. 用形式做向量运算

外微积分可以完美地应用于所有维度的所有p-形式,但是只有在R³中,一个2-形式才可以伪装成一个向量,而且只有在R³中,两个1-形式的楔积才可以伪装成两个向量的向量积。

梯度向量▽f是向量微积分中的概念,它对应于0-形式f的梯度1-形式df。

求1-形式的外导数,明确写出式

如果φ是闭的,就意味着dφ=0,即φ的旋度为零:如果把φ描绘成空间中一个流体流动的速度,我们在流体中插入一个小球(不是一个质点),它也将具有速度φ,但是不会自旋。这种情况下,这个流称为无旋的。如果dφ≠0,球就会自旋,旋度curlφ指向自旋轴,其大小为自旋角速率的2倍。在这种情况下,旋度curlφ称为涡度向量。

把闭形式描绘成保守力场对应的形式,这时ω的1-形式就是功。如果ω是闭的,那么质点绕一个封闭环路所做的功就等于零。

2-形式外导数

如果φ是闭的,就意味着dφ=0,即φ的散度为零。

向量微积分恒等式:

  1. 麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组第一对:

无源方程组

第二对麦克斯韦方程组 :

它描述了由源(电荷密度ρ和电流密j)产生的场: