外微分

可微分多様体上、外微分は関数の微分の概念を高次の微分形式に拡張する。外微分はエリ・カルタンによって最初に現在の形式で記述された。それによってベクトル解析のストークスの定理、ガウスの定理、グリーンの定理の自然な、距離に依存しない一般化ができる。

1. 定義
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k}} 次微分形式の外微分は //k// + 1}} 次微分形式である。

f}} が滑らかな関数であれば、f}} の外微分 d//f//}} は f}} の全微分 d//f//}} である。つまり、外微分d//f//}} は

任意の滑らかなベクトル場 X}} に対して、1=d//f// = d//sub。//を満たす一意的な 1 形式である。

一般の k}} 形式の外微分には様々な同値な定義が存在する。

1.1. 公理による定義
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外微分 d}} は以下の性質を満たす k}}-形式から }}-形式への一意的な R}}-線型写像として定義される：

滑らかな関数 f}} に対して d coloneqq}} d//f//}} はf}} の微分である。
任意の滑らかな関数 f}} に対して 1=d = 0}} である。
1=d = d//α// ∧ //β// + sup である、ただし α}} は p}}-形式とする。つまり、d}} は微分形式のなす外積代数上次数 1}} の反微分である。二番目の定義性質はより一般性を持って成り立つ： 実は、任意の k}}-形式 α}} に対して 1=d = 0}}である。三番目の定義性質は特別な場合として f}} が関数で α}} が k}}-形式であれば 1=d = d = d//f// ∧ //α// + //f// ∧ d//α//}} であるということを含んでいる。なぜならば、関数は 0}} 形式であり、スカラー乗法と外積は引数の一方がスカラーであるとき同値であるからである。

1.2. 局所座標系による定義
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代わりに、完全に局所座標系 (//x//sup の言葉で定義することもできる。まず、座標形式 d//x//sup は座標チャートの範囲内で 1-形式の基底をなす。1 ≤ //p// ≤ //k//}} なる各 p}} に対して 1 ≤ //ip// ≤ //n//}} とし、多重添字 1=//I// = (//i//sub が与えられたとき、R//n//}} 上の単純 //k//}}-形式 1=//φ// = //f//   d//xsup の外微分は//

で与えられる。一般の //k//}}-形式は I}} が mset の k}}-元部分集合全てを渡る単純 k}}-形式の和

に書かれるから、その外微分の定義は単純形式の場合を線型に拡張することによって与えられる。i}} が多重添え字 I}} の成分の 1 つであるときにはいつでも 1=d//xsup であることに注意しよう。//

この局所座標系による定義は前節の公理による定義から従う。実際、単純形式 1=//φ// coloneqq}} //f   //d//xsup に対し、前節で述べた性質を適用すれば 1=d(//f//   d//xsup で1=第二項 = 0}} だから 1=d//φ// = d//f// ∧ d//xsup を得る。//

結果を一般の場合に直截に書けば、k}}-形式 ω}} の外微分は

と定義される。

1.3. 不変公式による定義
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代わりに、明示的な式を k}}-形式 ω}} の外微分に対して、//k// + 1}} 個の任意の滑らかなベクトル場 //V//0, //V//1, ..., //Vk//}} とペアにされたとき、与えることができる：

ただし [//Vi//, //Vj//]}} はベクトル場のリー括弧を表し、ハットはその元を取り除くことを表す：

特に、1}} 形式に対して次が成り立つ： 1=d//ω// = //Xω// − //Yω// − //ω//}}, ただし X}} と Y}} はベクトル場である。

2. 多様体上のストークスの定理
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M}} が境界をもつコンパクトで滑らかで向き付け可能な n}} 次元多様体で、ω}} は M}} 上の }} 形式とするとき、一般化されたストークスの定理は

なることを述べる。直感的には、M}} が無限小領域に分割されたと考え、すべての領域の境界に渡って流れ  を加えたとき、内部の境界はすべて打ち消し合い、M}} の境界を通る全体の流れが残る。

3. 例
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例 1. :1}}-形式の基底 d//x//sup 上 1=//σ// = //u//   d//x//sup を考えよう。その外微分は：最後の式はウェッジ積の性質から容易に従う。すなわち、1=d//xsup.//例 2.: 1=//σ// = //u//   d//x// + //v//   d//y//}} を Rsup 上の 1}}-形式とする。各項に上記の公式を適用することによって次が成り立つ。

4. さらなる性質
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4.1. 閉形式と完全形式
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k}}-形式 ω}} は 1=d//ω// = 0}} であるときに閉  であるという。ω}} はある }}-形式 α}} に対して 1=//ω// = d//α//}} であるときに完全  であるという。1=d2 = 0}} ゆえ、任意の完全形式は閉である。ポワンカレの補題は、可縮領域において逆が正しいと述べている。

4.2. ド・ラームコホロジー
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外微分 d}} は 1=d2 = 0}} という性質をもつので、それを多様体上のド・ラームコホモロジーを定義する微分として使うことができる。k}}-次ド・ラームコホモロジーは完全 k}} 形式を法とした閉 k}}-形式のなすベクトル空間である。直前の節で述べたように、ポワンカレの補題はこれらのベクトル空間が //k// > 0}} に対して可縮領域に対して自明であることを述べている。滑らかな多様体に対して、形式の共通部分はド・ラームコホモロジーから R}} 上の特異コホモロジーへの自然な準同型を与える。ド・ラームの定理はこの写像が実は同型であることを示しており、ポワンカレの補題の遠大な一般化である。一般化されたストークスの定理によって示唆されているように、外微分は特異単体上の境界写像の「双対」である。

4.3. 自然性
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外微分はテクニカルな意味で自然である： //f//: //M// → //N//}} が滑らかな写像で Ωsup が各多様体に多様体上の k}}-形式の空間を割り当てる滑らかな反変関手であれば、次の図式は交換する

よって 1=d = //f//*d//ω//}} である、ただし //f//*}} は f}} の引き戻し を表す。このことは、//f//sub を f}} の押し出しとして、//f//*//ω//}} が定義により //ω//(//f//sub に等しいことから従う。ゆえに d}} は Ωsup から Ωsup への自然変換である。

5. ベクトル解析における外微分
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たいていのベクトル解析の演算子は外微分の概念の特別な場合であるか、あるいは、近い関係である。

5.1. 勾配
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滑らかな関数 //f//: Rsup は 0}}-形式である。この 0}}-形式の外微分は 1}}-形式

である。つまり、形式 d//f//}} は任意のベクトル場 V}} に作用して、各点において //V//}} と f}} の勾配 ∇//f//}} との内積を返す。

1}}-形式 d//f//}} は余接束の断面であり、各点の余接空間において f}} の局所的な線型近似を与える。

5.2. 発散
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Rsup 上のベクトル場 1=//V// = }}-形式

をもつ、ただし はその元を除くことを意味する。

//ωV//}} のある超曲面上の積分は V}} のその超曲面上の流束である。

この }}-形式の外微分は n}}-形式

である。

5.3. 回転
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Rsup 上のベクトル場 V}} もまた対応する 1}}-形式

をもつ。局所的には、ηsub は V}} とのドット積である。ある道に沿った ηsub の積分はその道に沿って −//V//}} に逆らってされた仕事である。

1=//n// = 3}} のとき、三次元空間において、1}}-形式 ηsub の外微分は 2}}-形式

である。

5.4. grad, curl, div, およびラプラシアンの不変公式
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任意のリーマン多様体上、標準的なベクトル解析の演算子は座標によらない  表記で次のように書くことができる：

ここで はホッジのスター演算子であり、 および は音楽同型、 はスカラー場、 はベクトル場である。

6. 関連項目
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ド・ラーム複体
グリーンの定理
リー微分
ストークスの定理

7. 参考文献
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8. 外部リンク
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