体积形式

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。
在一个定向"n"-维流形上，体积元典型地由体积形式生成，所谓体积元是一个处处非零的"n"-阶微分形式。一个流形具有体积形式当且仅当它是可定向的，而可定向流形有无穷多个体积形式（细节见下）。
有一个推广的伪体积形式概念，对无论可否定向的流形都存在。
许多类型的流形有典范的（伪）体积形式，因为它们有额外的结构保证可选取一个更好的体积形式。在复情形，一个带有全纯体积形式的凯勒流形是卡拉比-丘流形。
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formula_1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formula_2是形变收缩（因为formula_3，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formula_4-结构，即是一个定向。
在线丛的语言中，行列式丛formula_5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formula_6-结构，因为formula_7 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formula_9，将formula_10视为体积形式而不是测度，formula_11表明“在formula_12上沿着定向相反的反向积分”，有时记成formula_13。
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ω"e" 是formula_14中一个元素，那么一个左不变形式可以定义为formula_15，这里"L""g"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2"n"-维流形，那么由辛形式非退化可知ω"n"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，formula_17是流形上度量张量行列式的绝对值，formula_18为组成流形余切丛一组基的1形式。
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。
曲面的体积形式.
体积形式一个简单的例子可以考虑嵌入"n"-维欧几里得空间中的2-维曲面。考虑子集formula_20，以及映射函数
定义了嵌入到formula_22中的一个曲面。映射的雅可比矩阵为
指标"i"从1跑到"n"，"j"从1跑到2。"n"-维空间的欧几里得度量诱导了集合"U"上的一个度量，度量矩阵分量为：
度量的行列式由
给出，这里formula_26是楔积。对一个正则曲面，这个行列式不为0；等价地，雅可比矩阵的秩为2。
现在考虑"U"的一个坐标变换，由微分同胚
给出。从而坐标formula_28用formula_29形式表示是formula_30。坐标变换的雅可比矩阵为：
在新坐标系下，我们有：
从而度量变换为：
这里 formula_34是在"v"坐标系下的度量。行列式：
给出以上构造后，现在可以直接理解为什么体积在坐标变换下不变的。在2维，体积就是面积。子集formula_36的面积由积分：
给出。从而，在任一坐标系下，体积都有相同的表达式，即这个表达式在坐标变换下是不变的。
注意到在以上表达式中2维并没有任何特殊性，以上结论可以平凡地推广到任意维数。
体积形式不变性.
体积形式不是惟一的，它们以如下方式组成了流形上非0函数上的一个旋子。这是Radon–Nikodym定理的一个几何形式。
给定"M"上一个处处函数"f"，和一个体积形式formula_38，formula_39也是"M"上的体积形式。相反地，给定任何两个体积形式formula_40，他们的比是一个处处非0函数（如果定向相同为正，定向相反为负）。
在坐标系中，他们都不过是一个处处非0函数乘以勒贝格测度，他们的比就是函数的比，这和坐标系的选取无关。本质上，这是formula_41关于formula_38的Radon–Nikodym导数。
无局部结构.
一个体积形式没有局部结构：任何两个体积形式（在相同维数的流形上）是局部同构的。
正式地说，这个结论意味着给定任何两个同维数的流形formula_43，分别具有体积形式formula_44，对任何点formula_45，存在一个映射formula_46（这里formula_47是formula_48的一个邻域而formula_49是formula_50的一个邻域），使得"N"（限制在邻域formula_49上）上的体积形式拉回到formula_52（限制在邻域formula_47）上的体积形式：formula_54。给定维数的可微流形是局部微分同胚的；增添的判断标准是体积形式拉回到体积形式。
在1维情形，可以这样证明：给定formula_55上一个体积形式formula_38，定义
那么标准勒贝格测度formula_10通过"f": formula_59拉回到formula_38，实际上，formula_61。
高维数时，给定任何一点formula_62，存在一个邻域局部同胚于formula_63，我们可以进行相同的步骤。
整体机构：体积.
连通流形"M"上一个体积形式有一个惟一的整体不变量，即总体积（记作formula_64），在保持体积形式的映射下不变；总体积可能是无穷，比如formula_22上的勒贝格测度。对于一个不连通流形，任何连通分支的体积是不变量。
用符号表示，如果formula_66是流形的同胚，将formula_67拉回到formula_68，那么
从而流形具有相同的体积。
体积形式也能在覆盖映射下拉回，在此情况下将体积乘以纤维的基数（形式地说，在纤维上积分）。在无穷重复盖（比如formula_70），有限体积流形上的体积形式拉回到一个无穷体积流形上的体积形式。
反过来，于尔根·莫泽的一个定理指出，对于连通紧流形上两个体积相等的体积形式formula_71和formula_72，存在一个流形的微分自同胚将formula_71拉回到formula_72，事实上存在由的流形成同痕。