במתמטיקה, **תבנית דיפרנציאלית** (באנגלית: **Differential form**) היא סוג מסוים של טנזור שבעזרתו מכלילים את המושגים של אינטגרל קווי ואינטגרל משטחי לממדים גבוהים. תבניות דיפרנציאליות הוגדרו בעבודות של ויטו וולטרה ואנרי קרטן ויש להן שימושים רבים בכל תחומי הגאומטריה ובפיזיקה.

מבוא אינטואיטיבי
----------------

בתורת האלקטרומגנטיות של פאראדיי, השדה החשמלי והשדה המגנטי מתוארים לא על ידי שדות וקטוריים אלא כאוסף של עקומים מכוונים (קוי כוח, במינוח של פאראדיי) שהצפיפות שלהם ליד נקודה במרחב פרופורציונית לחוזק השדה.

בתיאור הזה, השטף של קוי הכוח דרך משטח מכוון הוא, אינטואיטיבית, מספר קוי הכוח שחותכים אותו בכוון התואם לכוון המשטח פחות מספר קוי הכוח שחותכים אותו בכוון הלא תואם. שטף זה הוא סוג מסוים של אינטגרל.

כדי להכליל את התמונה לממדים גבוהים, וולטרה שינה את נקודת המבט והתבונן בפונקציה ששולחת משטח S לשטף של קוי הכוח דרך S. פונקציה זו נקבעת לפי הערכים שלה על מקביליות אינפיניטסימליות במרחב. ליתר דיוק, אם x היא נקודה במרחב, {\displaystyle v\_{1},v\_{2}} הם ווקטורים, {\displaystyle \Pi \_{x,v\_{1},v\_{2}}} היא המקבילית עם קדקוד ב-x וצלעות {\displaystyle v\_{1},v\_{2}}, ו-{\displaystyle F(\Pi \_{x,\epsilon v\_{1},\epsilon v\_{2}})} הוא השטף של קוי הכוח דרך המקבילית {\displaystyle \Pi \_{x,v\_{1},v\_{2}}}, אז מידיעת הערכים {\displaystyle A\_{x}(v\_{1},v\_{2}):=\lim \_{\epsilon \rightarrow 0}{\frac {F(\Pi \_{x,\epsilon v\_{1},\epsilon v\_{2}})}{\epsilon ^{2}}}} אפשר לחשב את השטף של קוי הכוח לכל משטח. וולטרה שם לב לכך שהפונקציה A מקיימת את התכונות הבאות:

1. לכל x, הפונקציה {\displaystyle (v\_{1},v\_{2})\mapsto A\_{x}(v\_{1},v\_{2})} היא ביליניארית ומתחלפת.
2. לכל {\displaystyle v\_{1},v\_{2}} הפונקציה {\displaystyle x\mapsto A\_{x}(v\_{1},v\_{2})} היא חלקה.

ההגדרה הכללית של תבנית דיפרנציאלית היא ההכללה של שתי תכונות אלה.

הגדרה
-----

עבור שני מספרים טבעיים {\displaystyle k\leq n}, נגדיר תבנית k-דיפרנציאלית במרחב {\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}}, שתחומה הוא {\displaystyle \Omega \subset {\mathbb {R} }^{n}}.

נאמר שפונקציה {\displaystyle f:{({\mathbb {R} }^{n})}^{k}\rightarrow \mathbb {R} } היא **חילופית**, אם לכל
{\displaystyle {v}\_{1},\dots ,{v}\_{k}\in {\mathbb {R} }^{n}} ולכל {\displaystyle 1\leq i<j\leq k} מתקיים
{\displaystyle f({v}\_{1},\dots ,{v}\_{i},\dots ,{v}\_{j},\dots ,{v}\_{k})=-f({v}\_{1},\dots ,{v}\_{j},\dots ,{v}\_{i},\dots ,{v}\_{k})}.

נאמר ש-f היא **פונקציה מולטילינארית**, אם לכל {\displaystyle {v}\_{1},\dots ,{v}\_{k},w\in {\mathbb {R} }^{n};a,b\in \mathbb {R} } ולכל
{\displaystyle 1\leq i\leq k} מתקיים
{\displaystyle f({v}\_{1},\dots ,a{v}\_{i}+bw,\dots ,{v}\_{k})=af({v}\_{1},\dots ,{v}\_{i},\dots ,{v}\_{k})+bf({v}\_{1},\dots ,w,\dots ,{v}\_{k})}.

נסמן את מרחב הפונקציות ה-k מולטילינאריות ומתחלפות ב-{\displaystyle {\Lambda }^{k}({\mathbb {R} }^{n})}. קבוצה זו היא מרחב וקטורי מעל הממשיים.

אם כן, **תבנית k-דיפרנציאלית ב-{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}** בעלת התחום {\displaystyle \Omega \subset {\mathbb {R} }^{n}} היא פונקציה {\displaystyle \omega :\Omega \rightarrow {\Lambda }^{k}({\mathbb {R} }^{n})}.

מבנה כללי
---------

ההגדרה לעיל נראית מסובכת ולא פרקטית. אך בפועל, לתבניות יש מבנה נוח למדי.

לצורך מציאת מבנה זה, נכליל את ההטלות ממשתנה אחד לכמה משתנים, באופן הבא: לכל אינדקסים
{\displaystyle 1\leq i\_{1}<i\_{2}<\dots <i\_{k}\leq n} נגדיר תבנית k :
{\displaystyle \pi \_{i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}}(v^{1},\dots ,v^{k})=\det {\begin{pmatrix}{{v}^{1}}\_{i\_{1}}&\dots &{{v}^{k}}\_{i\_{1}}\\\dots &\dots &\dots \\{{v}^{1}}\_{i\_{k}}&\dots &{{v}^{k}}\_{i\_{k}}\end{pmatrix}}}

(כאשר det היא הדטרמיננטה), שתקרא ההטלה לפי האינדקסים {\displaystyle i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}} ב-{\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}}.
נהוג גם לסמן תבנית זו על ידי {\displaystyle {dx}\_{i\_{1}}\wedge {dx}\_{i\_{2}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}, כאשר \wedge  מכונה "wedge product" (ראו "פעולות על תבניות" בהמשך).

ניתן להוכיח כי הקבוצה {\displaystyle \{\pi \_{i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}}:1\leq i\_{1}<i\_{2}<\dots <i\_{k}\leq n\}} היא בסיס ל {\displaystyle \Lambda ^{k}({\mathbb {R} }^{n})}, ובפרט ממדו הוא המקדם הבינומי {\displaystyle {\tbinom {n}{k}}}.

אם כן, כל תבנית k ניתן לרשום מהצורה
{\displaystyle \omega =\sum {\omega \_{i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}}\pi \_{i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}}=\sum {\omega \_{i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}}}
כאשר הסכום הוא על כל האינדקסים הסדורים, ו-{\displaystyle {\omega }\_{i\_{1},i\_{2},\dots ,i\_{k}}} פונקציות ממשיות שתחומן הוא \Omega .

דוגמאות
-------

* במקרה k=n=1, תבנית -1 כללית היא מהצורה {\displaystyle fdx}, כאשר f פונקציה ממשית.
* תבנית-1 כללית ב{\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}} היא מהצורה {\displaystyle f\_{1}d{x}\_{1}+\dots +f\_{n}d{x}\_{n}}, כאשר {\displaystyle f\_{1},\dots ,f\_{n}} פונקציות ממשיות.
* תבנית-2 כללית ב{\displaystyle {\mathbb {R} }^{3}} היא מהצורה {\displaystyle p(x,y,z)dy\wedge dz+Q(x,y,z)dz\wedge dx+R(x,y,z)dx\wedge dy}, כאשר P,Q,R פונקציות ממשיות.

פעולות על תבניות
----------------

* **סכום** – אם {\displaystyle \omega =\sum {\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}};\tau =\sum {\tau \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}} שתי תבניות-k, אז החיבור ביניהן מוגדר באופן הטבעי – {\displaystyle \omega +\tau =\sum {(\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}+\tau \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}){dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}}.
* **מכפלה** – אם {\displaystyle \omega =\sum {\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}} תבנית-k ו-{\displaystyle \tau =\sum {\tau \_{j\_{1},\dots ,j\_{l}}{dx}\_{j\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{j\_{l}}}} תבנית-l, אז מכפלת התבניות היא תבנית-{\displaystyle k+l} המוגדרת כך:

{\displaystyle \omega \wedge \tau =\sum {\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}\tau \_{j\_{1},\dots ,j\_{l}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}\wedge {dx}\_{j\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{j\_{l}}}

למשל, ב-{\displaystyle {\mathbb {R} }^{3}} מתקיים {\displaystyle (xdy+zdx)\wedge dz=xdy\wedge dz+zdx\wedge dz}.

* **דיפרנציאל** – פעולה זו מכלילה את הדיפרנציאל של פונקציה ממשית לתבניות דיפרנציאליות. נאמר שתבנית {\displaystyle \omega =\sum {\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}} היא תבנית דיפרנציאבילית אם הפונקציות {\displaystyle \omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}} כולן דיפרנציאביליות. אם כך, מגדירים את הדיפרנציאל של התבנית להיות ה-{\displaystyle k+1} תבנית הבאה:

{\displaystyle d\omega =\sum {d{\omega }\_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}=\sum {\sum \_{t=1}^{n}{{\frac {{\partial \omega }\_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}}{\partial {x}\_{t}}}{dx}\_{t}\wedge {dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}}}.

תבנית נקראת **מדויקת**, אם היא דיפרנציאל של תבנית אחרת. תבנית נקראת **סגורה**, אם הדיפרנציאל שלה שווה זהותית לאפס.

* **משיכה לאחור** – בהינתן תבנית דיפרנציאלית {\displaystyle \omega =\sum {\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}{dx}\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {dx}\_{i\_{k}}}} על U ופונקציה דיפרנצאבילית ברציפות {\displaystyle \varphi \colon U\to \mathbb {R} ^{m}}. מגדירים את המשיכה לאחור של \omega  על ידי \varphi  להיות תבנית דיפרנציאלית חדשה {\displaystyle \varphi ^{\*}\omega ={\displaystyle \sum {\omega \_{i\_{1},\dots ,i\_{k}}\circ \varphi {d\varphi }\_{i\_{1}}\wedge \dots \wedge {d\varphi }\_{i\_{k}}}}}כאשר {\displaystyle d\varphi \_{i}=\Sigma \_{j=1}^{n}{\frac {\partial \varphi \_{i}}{\partial x\_{j}}}dx\_{j}}.
* **אינטגרציה** – עבור תבנית דיפרנציאלית \omega  מעל קבוצה פתוחה {\displaystyle U\_{1}\subset \mathbb {R} ^{n}}, ופונקציה חלקה והפיכה {\displaystyle \varphi \colon U\to U\_{1}} עבור {\displaystyle U\subset \mathbb {R} ^{k}}, נגדיר {\displaystyle \int \_{\varphi (U)}\omega =\int \_{U}\varphi ^{\*}\omega }, ועבור {\displaystyle \eta =fdx\_{1}\wedge \cdots \wedge dx\_{k}} נגדיר {\displaystyle \int \_{V}\eta =\int \_{V}f}.

תכונות
------

* חילופיות החיבור – {\displaystyle \omega +\tau =\tau +\omega }.
* אנטי סימטריות הכפל – {\displaystyle {dx}\_{i}\wedge {dx}\_{j}=-{dx}\_{j}\wedge {dx}\_{i}}.
	+ לכן: {\displaystyle {dx}\_{i}\wedge {dx}\_{i}=0}.
* אם \omega  תבנית-k ו-\tau תבנית-l, אז {\displaystyle \omega \wedge \tau ={(-1)}^{kl}\tau \wedge \omega }. בפרט, אם k=l מספר אי זוגי, מתקבל {\displaystyle {\omega }^{2}=0} .
* אם \omega  תבנית-k ו-\tau תבנית-l שתיהן דיפרנציאביליות, מתקיים כלל לייבניץ המוכלל לתבניות – {\displaystyle d(\omega \wedge \tau )=\tau d\omega +{(-1)}^{k}\omega d\tau }.
* אם \omega  תבנית-k גזירה ברציפות פעמיים, מתקיים {\displaystyle d(d(\omega ))=0}.
* כל תבנית דיפרנציאבילית מדויקת היא סגורה. ההפך נכון בתחום כוכבי, לפי למת פואנקרה.

ראו גם
------

* אנליזה וקטורית
* משפט סטוקס

קישורים חיצוניים
----------------

* תבנית דיפרנציאלית, באתר MathWorld (באנגלית)

|  |  |
| --- | --- |
| בקרת זהויות עריכת הנתון בוויקינתונים | 
* NLI: 987007552908705171
* BnF: cb122737106 (data)
* LCCN: sh85037916
* NDL: 00560655
* NKC: ph493955

 |