ベクトル解析の 3 つの演算が外微分ひとつに畳まれる仕組み
勾配、回転、発散は、 次元でだけ通じる 3 つの別々の演算に見えます。次元を変えると対応が崩れ、外積が使えるのも 次元だけ。
外微分 を入れると、この 3 つが 1 つの演算の次数違いになります。しかも次元を選びません[1]。
以下では を 4 つの公理で特徴づけ、公理から座標公式が一意に決まることを見て、 の意味とド・ラームコホモロジーまで進みます。
微分形式の復習
次微分形式は、各点で接ベクトル 本に数を返す反対称な多重線型写像です。局所座標では
と書けます。係数は滑らかな関数。
形式は関数そのものです。 次元では 次までしかありません。
外微分の 4 つの公理
3 つ目の符号が、次数付きライプニッツ則です。 を が追い越すときに、 の次数ぶんだけ符号が付く。
公理から一意に決まる
この 4 条件を満たす作用素はただ 1 つです。座標近傍で書けば分かります。
に 3 つ目を繰り返し使うと、 の項は 4 つ目から消えます。残るのは係数の全微分だけ。
が出ます。座標をどう選んでも同じ作用素になることは、一意性から自動[3]。
座標での公式
上の式を成分で書けば
です。係数を偏微分し、 を左から掛ける。
が のどれかと一致する項は になります。同じ が 2 度現れるため。
例: 形式の外微分
の外微分は
です。偏微分を係数に並べただけ。
これは勾配ベクトル に対応します。ただし対応させるには計量が要る。
例: 形式を計算する
をとります。項ごとに公式を当てる。
第 1 項は を出し、係数は 。第 2 項は です。
になります。 の直線の上でだけ が消える。
例: 形式を計算する
次元で をとります。係数の偏微分は だけが残る。
です。 を 2 回動かすので符号は 2 回変わり、元に戻ります。
符号がずれる場所
ライプニッツ則の符号を落とすと、計算が合わなくなります。 が奇数次のときだけ第 2 項の符号が反転する。
を 形式、 を 形式とすると
です。 が 形式なら符号は に戻る。
例:ライプニッツ則の符号を追う
、 とします。。
直接計算すると です。
公式で計算すると で 、。符号込みで合います。
複体として並べる
は次数を 1 つ上げます。並べると 1 本の列になる。

次元なら の次は です。次数が次元を超えると形式が存在しないため。
つながった矢印を 2 本続けると、いつでも になります。これがド・ラーム複体[4]。
の証明
形式で確かめれば、あとは公理から従います。 に対し
です。係数は と の入れ替えで対称、 は反対称。
対称なものと反対称なものを掛けて和をとると になります。シュワルツの定理が効いている場所[2]。
例:偏微分の交換で消える様子
とします。。
もう一度 をとると です。前半は 。
足すと になります。 が両方の項に同じ値で現れ、符号だけが逆。
次元での grad, rot, div
次元では、次数ごとに が別の名前で呼ばれます。
は勾配です。関数から 形式が出ます。
は回転です。 形式から 形式が出ます。
形式の外微分は発散です。 形式が出て、そこで止まります。
ベクトル場に読み替えるにはホッジ双対が要ります。 形式と 形式をどちらもベクトル場と見なせるのは、 次元だけの事情[1]。
例:
から へ を 2 回かけると です。
読み替えれば になります。ベクトル解析で成分計算していた等式が、公理の 4 つ目に畳まれる。
例:
から へ を 2 回かけても です。
こちらは 。2 つの公式が同じ理由から出ていることが、次数を付けると見えます。
小さな長方形の周回で回転が出る
の係数が何を測っているのかを、周回積分で見ます。
長方形を縮めても、周回積分を面積で割った値は変わりません。極限がちょうど の係数。
が微分らしく見えるのは、この比が極限を持つためです。境界で測って中身を割る、という操作。
座標に依らない公式
座標を使わずに を書けます。 形式 とベクトル場 に対し
が成り立ちます[1,3]。ハットは、その引数を抜くという意味。
第 1 項が微分らしい部分、第 2 項がリー括弧の補正です。
例: 形式の不変公式を確かめる
では
になります。3 つの項だけ。
、 なら で、第 3 項が消えます。残る 2 項が 。
座標の基底では第 3 項が落ちるので、座標公式と一致します。
リー括弧が現れる理由
第 1 項だけでは、 に関数を掛けたときの振る舞いが壊れます。 に の余分な項が出る。
なので、第 2 項からも同じ形の項が出ます。符号が逆で、打ち消し合う。
結果として全体が 線型になり、テンソルとして意味を持ちます。リー括弧は、テンソル性を回復するために入っている。
引き戻しと交換する
滑らかな写像 に対し が成り立ちます[2]。
形式では で、連鎖律そのもの。一般の次数へは、ウェッジ積との整合性から持ち上がります。
この性質のおかげで、 が閉形式を閉形式へ、完全形式を完全形式へ送ります。コホモロジーに写像が誘導される根拠。
例:極座標へ移して確かめる
を極座標へ引き戻します。、。
で、外微分をとると が出ます。
先に を計算してから引き戻しても です。合いました。
を 形式、 を 形式とするとき、 はどれか。
ド・ラーム複体
から、像が核に含まれます。差をとった商が意味を持つ。
これがド・ラームコホモロジーです[4]。閉形式のうち、完全でないぶんを数える。
ド・ラームの定理により、実係数の特異コホモロジーと同型になります。微分の話が位相の話とつながる場所。
例: のコホモロジー
は可縮なので、、 では です[4]。
が なのは、 となる関数が定数だけだから。連結成分の個数を数えている。
例:円周と穴あき平面
円周では 、 です。 が を生成する。
穴あき平面も同じ形になります。円周と可縮な部分の積に分かれるため[5]。
次元球面では と だけが で、あいだは です。
が完全でないことを見る
穴あき平面で を原点のまわりに積分する様子を描きます。
戻ってきたときに値が に戻りません。 ずれる。
完全形式なら必ず に戻ります。 が閉じた道で になるため。
ポアンカレの補題
可縮な開集合では、閉形式はすべて完全です[5]。
局所的にはいつでも成り立ちます。多様体はどの点でも球体と同相な近傍を持つため。
したがってコホモロジーは、局所では何も見ません。大域の形だけを拾う不変量。
ストークスの定理との関係
という等式が、 と境界をとる操作を結びます[6]。
閉形式を閉じた図形の上で積分すると になる、という主張がここから出ます。ホモロジーとコホモロジーの対になる仕組み。
を「境界の代数版」と呼ぶのは、この双対性から。











符号は先に来る形式の次数で決まります。ω が 2 形式で偶数次なので (−1)2=1 となり、両方が正。