余接ベクトルを「等高線の束」として描く
余接ベクトルは矢印ではありません。ベクトルを 1 本受け取って数を 1 つ返す機械です。
矢印として描こうとすると、いくつも無理が出ます。等高線の束として描けば、その無理が消える。
双対空間から始める
ベクトル空間 に対して、 から実数への線形写像の全体を と書き、双対空間と呼びます[1]。
多様体 の点 では、接空間 の双対を余接空間 といいます。その元が余接ベクトル、あるいは 1 形式です[1]。
フランスの講義録も同じ言い方で、余接空間を接空間の双対とし、その元を線形形式または余ベクトルと呼んでいます[3]。
次元は接空間と同じ です。同じ次元なので、うっかり同じものだと思いたくなる。そこが落とし穴になります。
成分の決め方
余接ベクトル の成分は、基底に食べさせて決めます[1]。
逆に、座標関数 の微分 をベクトル に作用させると、 の第 成分がそのまま出てきます[1]。
つまり は の双対基底です[2]。ドイツの講義録もこの点をはっきり書いています。
作用の値は成分の単純な組み合わせになります。添字が上下で 1 つずつ噛み合う形。
計量はどこにも出てきません。長さも角度も使わずに数が決まる、という点が大切です。
は小さくない
いちばん身近な余接ベクトルが、関数の微分 です。ベクトル を入れると、 方向の方向微分を返します[1]。
ここでつまずく人が多い、とバークレーの講義録は書いています[1]。 という記号に、微小量という手触りが染み付いているためです。
昔の書き方では は の小さな増分でした。いまの意味では は演算子で、小さくもなんともない。
2 つの流儀の橋渡しはこうなります。小さな変位ベクトル を用意して、演算子 を作用させた値が、昔でいう小さな にあたります[1]。
小さいのは のほうで、 は小さくありません。
座標の双対基底で書くと、成分は偏微分そのもの[2]。
等高線として描く
では余接ベクトルはどう描けばよいか。答えは、平行な直線の束です。
は線形なので、 となる の全体は超平面になります。 となる集合、 となる集合も、それに平行な超平面。
こうして接空間が等間隔の平行な板に仕切られます。ベクトルを 1 本置いたとき、その矢印が横切る板の枚数が の値。
矢印が板と平行なとき、横切る枚数は です。板に垂直に近いほど枚数が増える。矢印を伸ばせば枚数も比例して増えます。
線形性がそのまま図に出ています。値が向きと長さの両方で決まり、しかも和について足し算になる。
濃さが大きさ
この描き方には、もう一つ良いところがあります。 を 2 倍すると、板の間隔が半分になる。
ベクトルは矢印の長さが大きさでした。余接ベクトルは板の詰み具合が大きさになります。長さではなく密度。
大きさの表し方が違うので、単位も逆向きに動きます。ベクトルがメートルなら、余接ベクトルは 1 メートルあたりの何か。掛け合わせると単位のない数になります。
関数の等高線が見せてくれる
の場合、板の正体は の等高線です。点 のまわりで の等高線を拡大すると、平行な直線の束に見えてきます。
その束がそのまま になります。 が急に変わるところでは等高線が詰み、 が大きい。
灰色の円が の等高線で、値を 1 ずつ上げて描いてあります。青い 3 本が、その点での局所的な板。
外側ほど円の間隔が狭くなります。 が 2 次で増えるので、遠いところでは少し動くだけで値が大きく変わる。
座標変換で逆に動く
ベクトルと余接ベクトルの違いが、いちばんはっきり出る場面は座標変換です。
ベクトルの成分は新しい座標の側の偏微分で変換されます。余接ベクトルの成分は、その逆です[1]。
古い流儀では、ベクトルを反変ベクトル、余接ベクトルを共変ベクトルと呼びました[1]。フランスの講義録も、ベクトルは反変に、余ベクトルは共変に変換されると述べています[3]。
具体例で見ます。長さの単位をメートルからセンチメートルへ変えると、基底ベクトルは 分の に縮みます。
同じ矢印を表すには、成分を 倍しなければなりません。いっぽう の側は、板の間隔が 分の になるので、成分は 分の 。
掛け合わせた は変わりません。逆向きに動くからこそ、組み合わせた値が座標によらない。
青い矢印と水色の板は動かしていません。動かしているのは基底の長さだけ。それでも 2 つの成分が逆向きに変わります。
引き戻しは無条件にできる
もう一つの非対称が、写像に沿った運び方です。滑らかな写像 があるとき、余接ベクトルは から へ自由に運べます。
定義は素直で、 の微分を通してから食べさせるだけ。
右辺は 側での作用です。 は の接ベクトルなので、 で へ送ってから に渡します。
ベクトルの側は同じようにいきません。 のベクトル場を へ送っても、 が単射でなければ行き先で値が競合します。全射でなければ、値の決まらない点が残る。
だから余接ベクトルは引き戻し、ベクトルは押し出しと呼び分けられます。引き戻しはいつでもでき、押し出しには条件が要る。
積分が 1 形式の言葉で書かれるのは、この使いやすさとも関係しています。変数変換が引き戻しとしてそのまま書ける。
束としてまとめる
各点の余接空間を全部集めると、余接束 になります。ドイツの講義録は、接束の双対として得られるベクトル束を余接束と呼んでいます[2]。
1 形式とは、この束の滑らかな切断のこと。各点に余接ベクトルを 1 つずつ、なめらかに割り当てたものです。
点ごとの余接ベクトルと、多様体全体の 1 形式は別の概念です。ただし同じ記号を使うので、文脈で読み分けます。
計量がないと矢印にできない
と は同じ次元なので、線形同型が存在します。ただし、自然な同型はありません。
基底を 1 組選べば同型が作れます。しかしその同型は基底の選び方に依存し、座標を換えると別のものに化けてしまう。
内積 があれば話が変わります。ベクトル に対して という余接ベクトルを対応させれば、基底によらない同型が決まります。
成分では添字の上げ下げになります。 という操作。
矢印にできるのは計量を入れたあとの話です。計量のない多様体では、余接ベクトルは矢印になれません。
矢印。長さが大きさ。座標変換で反変にふるまう
板の束。密度が大きさ。座標変換で共変にふるまう
勾配は計量に依存する
この違いは勾配ではっきりします。 と は別物です。
は計量なしで決まります。成分は偏微分 そのもの。
は の添字を計量で上げたものです。
平面の極座標で試します。計量は 、 なので、逆行列は 、 です。
が付きました。 の成分をそのままベクトルの成分だと思って書くと、この係数を落とすことになる。
デカルト座標では計量が単位行列なので、両者の成分が一致します。だから区別が見えません。区別が見えるのは、座標を曲げたときと、計量を入れ替えたとき。
力は余接ベクトル
物理でも役割の違いが出ます。変位はベクトル、力は余接ベクトルと見るほうが自然です。
理由は掛け算の形にあります。力と変位を組み合わせると仕事になり、その値は座標のとり方によりません。
の添字が下にあるのは偶然ではありません。変位の成分と噛み合って、単位のない量を作るためです。
エネルギーの勾配として力を定義するなら、まさに という 1 形式が出てきます。ここでも矢印にするには計量が要る。
すべての 1 形式が ではない
の形に書ける 1 形式を完全形式と呼びます。書けないものもあります。
外微分をとって となる 1 形式を閉形式といいます[3]。完全なら必ず閉ですが、逆は成り立ちません。
有名な反例が、原点を抜いた平面の上の次の 1 形式です[3]。
計算すると になります。それでも をみたす関数 は、平面全体では取れません。
角度 の微分がこれにあたるためです。原点のまわりを一周すると が ずれるので、 が一価にならない[3]。
閉であって完全でない量がどれだけあるかは、その領域の形で決まります。穴が空いているかどうかという位相の情報が、1 形式の言葉で測れる。
余接ベクトルを「関数の微分」とだけ思っていると、この違いを見落とします。 は 1 形式の一部にすぎません。
積分できるのは 1 形式のほう
もう一つの違いが積分です。曲線に沿って積分できるのは 1 形式で、ベクトル場ではありません。
右辺の被積分関数は数です。 が速度ベクトルを食べて数を返すので、そのまま足し上げられます。
ベクトル場を曲線に沿って積分しようとすると、別々の接空間のベクトルを足すことになり、意味を持ちません。計量を使って という数に直せば積分できますが、そのとき計量に頼っている。
微分形式が積分の言葉として使われるのは、この性質のためです。座標を換えても値が変わらない量が、はじめから積分の形に組まれています。











