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。因为是形变收缩（因为，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-结构，即是一个定向。

在线丛的语言中，行列式丛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-结构，因为 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，将视为体积形式而不是测度，表明“在上沿着定向相反的反向积分”，有时记成。

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ωe  是中一个元素，那么一个左不变形式可以定义为，这里Lg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2n-维流形，那么由辛形式非退化可知ωn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，是流形上度量张量行列式的绝对值，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，以及映射函数

定义了嵌入到中的一个曲面。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。从而坐标用形式表示是。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  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，也是M上的体积形式。相反地，给定任何两个体积形式，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，这是关于的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，分别具有体积形式，对任何点，存在一个映射（这里是的一个邻域而是的一个邻域），使得N（限制在邻域上）上的体积形式拉回到（限制在邻域）上的体积形式：。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：给定上一个体积形式，定义

那么标准勒贝格测度通过f: 拉回到，实际上，。

高维数时，给定任何一点，存在一个邻域局部同胚于，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），在保持体积形式的映射下不变；总体积可能是无穷，比如上的勒贝格测度。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，如果是流形的同胚，将拉回到，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）。在无穷重覆盖（比如），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和，存在一个流形的微分自同胚将拉回到，事实上存在由的流形成同痕。

另见
 庞加莱度量给出了复平面上一个新的体积形式；
 测度。

参考文献

 Michael Spivak, Calculus on Manifolds, (1965) W.A. Benjamin, Inc. Reading, Massachusetts  ISBN 0-8053-9021-9（提供了一个微分几何的现代理念的初等介绍，只需要一般的微积分背景。）

Category:流形上的微积分
Category:微分形式
Category:行列式