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English

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

を、次の 4 条件で定めます[1,2]

線型である
形式 に対して の全微分
形式 と任意の に対し

3 つ目の符号が、次数付きライプニッツ則です。 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。

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。

形式、 形式とすると

です。 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 。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 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 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 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。 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。

形式、 形式とするとき、 はどれか。

__RESULT__

符号は先に来る形式の次数で決まります。 形式で偶数次なので となり、両方が正。

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]

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。 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 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。

よくある誤り

ライプニッツ則の符号を落とす。先に来る形式が奇数次のときだけ第 2 項が負になります
から を結論する。可縮な領域でだけ言えます
次元の grad, rot, div の対応を一般次元へ持ち込む。ホッジ双対が要ります
座標公式が座標に依存すると思う。4 つの公理から一意に決まります
不変公式のリー括弧の項を落とす。テンソル性が壊れます
とベクトル場の微分を混同する。 は形式にだけ働きます
次数が上がる向きを逆に覚える。 から へ送ります

参考文献

Exterior derivative
Äußere Ableitung
Dérivée extérieure
De Rham cohomology
Closed and exact differential forms
Generalized Stokes theorem
勾配も回転も発散も、外微分を次数ごとに読み替えたものです。4 つの公理を置くだけで座標公式が一意に決まり、$d \circ d = 0$ が偏微分の交換から出る。この一行に、ベクトル解析で別々に覚えた 2 つの恒等式が畳まれます。周回積分を面積で割った極限が $d$ の係数になること、リー括弧を含む座標に依らない公式、引き戻しと交換する性質まで確かめる。ド・ラームコホモロジーが拾うのは大域の形だけ。