Chapter X. Rn\mathbb{R}^n 中的曲面与微分形式 (子流形)

Section X. 1. Rn\mathbb{R}^n 中的曲面

定义

Def.SRnS\subseteq\mathbb{R}^n, 称 SS 为一个 kk 维曲面, 如果对 pS\forall p\in S, 存在 pp 的一个开邻域 UU, 使得 USU\cap SRk\mathbb{R}^k 中的一个开集 DD 同胚. 即存在同胚
φ:DUS,t=(t1,,tk)φ(t).\varphi:D\to U\cap S,\quad\mathbf{t}=(t^1,\dots,t^k)\mapsto\varphi(\mathbf{t}).

同胚指的是连续且反函数也连续的双射.

此时称 (US,φ)(U\cap S,\varphi)pp 附近的局部坐标系, 称 (t1,,tk)(t^1,\dots,t^k)φ(t)\varphi(\mathbf{t}) 的坐标. 如果存在 SS 上的一组坐标系 U={(Uα,φα)αA}\mathcal U=\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\} 满足 S=αAUαS=\bigcup_{\alpha\in\mathcal A}U_\alpha, 则称 U\mathcal USS 上的一个图卡 (atlas).

Exm. S1={(x,y)x2+y2=1}S^1=\left\{(x,y)\mid x^2+y^2=1\right\}. 此时令
U1:={(x,y)S1y>0},φ1:(1,1)U1,t(t,1t2)U2:={(x,y)S1y<0},φ2:(1,1)U2,t(t,1t2)U3:={(x,y)S1x>0},φ3:(1,1)U3,t(1t2,t)U4:={(x,y)S1x<0},φ4:(1,1)U4,t(1t2,t)U_1:=\left\{(x,y)\in S^1\mid y>0\right\},\quad\varphi_1:(-1,1)\to U_1,\quad t\mapsto\left(t,\sqrt{1-t^2}\right)\\ U_2:=\left\{(x,y)\in S^1\mid y<0\right\},\quad\varphi_2:(-1,1)\to U_2,\quad t\mapsto\left(t,-\sqrt{1-t^2}\right)\\ U_3:=\left\{(x,y)\in S^1\mid x>0\right\},\quad\varphi_3:(-1,1)\to U_3,\quad t\mapsto\left(\sqrt{1-t^2},t\right)\\ U_4:=\left\{(x,y)\in S^1\mid x<0\right\},\quad\varphi_4:(-1,1)\to U_4,\quad t\mapsto\left(-\sqrt{1-t^2},t\right)\\

则上述几个 (Ui,φi)(U_i,\varphi_i) 构成 S1S^1 的一个图卡. 这导出 S1S^1 是一个 11 维曲线.

Exm. S2={(x,y,z)x2+y2+z2=1}S^2=\left\{(x,y,z)\mid x^2+y^2+z^2=1\right\}.

  1. 类似 S1S^1 用六个半球覆盖.
  2. 球极投影, 即将每个点投影到它和北极点的连线与 xOyxOy 平面的交点.

Exm. S:={(x,y)x3=y2}S:=\left\{(x,y)\mid x^3=y^2\right\}, 有参数表示
φ:RS,t(t2,t3),\varphi:\mathbb{R}\to S,\quad t\mapsto(t^2,t^3),

是一个 11 维曲线.

Exm. 曲线
φ:(1,1)R2,t(t(t24),t24)\varphi:(-1,1)\to\mathbb{R}^2,\quad t\mapsto(t(t^2-4),t^2-4)

不是 11 维曲线, 因为在 (0,0)(0,0) 点附近存在两个连通分支, 不与 (1,1)(-1,1) 同胚. 其定义中 φ(2)=φ(2)=(0,0)\varphi(2)=\varphi(-2)=(0,0).

Exm. 曲线
γ:(π/2,3π/2)R2,t(sin2t,cost)\gamma:(-\pi/2,3\pi/2)\to\mathbb{R}^2,\quad t\mapsto(\sin 2t,\cos t)

不是 11 维曲线, 原因与上一个例子相同.

光滑曲面

Def.SRnS\subseteq\mathbb{R}^nkk 维曲面. 若在 pS\forall p\in S 的局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi) 中, φ:DU\varphi:D\to UCmC^m 映射, 且在 DDrankφk\operatorname{rank}\varphi\equiv k, 则称 SSCmC^m-光滑的.

Exm. S:={(x,y)x3=y2}S:=\left\{(x,y)\mid x^3=y^2\right\} 不是光滑的, 因为我们构造的 φ(0)=(0,0)\varphi'(0)=(0,0), 秩为 00.

SSRn\mathbb{R}^n 中的 kkCmC^m 光滑曲面. 对 pSp\in Spp 附近的两个局部坐标系 (U1,φ1),(U2,φ2)(U_1,\varphi_1),(U_2,\varphi_2), 有映射
φ21φ1:φ11(U1U2)φ21(U1U2),()\varphi_2^{-1}\circ\varphi_1:\varphi_1^{-1}(U_1\cap U_2)\to\varphi_2^{-1}(U_1\cap U_2),\tag{$\ast$}

这给出了 U1U2U_1\cap U_2 上两种不同坐标之间的变换.

Q: 这一映射的性质如何?

Lm.φ:RkRn\varphi:\mathbb{R}^k\to\mathbb{R}^nCmC^m 映射, 且在 t0\mathbf{t}_0 的某一邻域内秩恒为 kk. 则存在 Rn\mathbb{R}^n(t0,0)(\mathbf{t}_0,\mathbf{0}) 的邻域 V=Vt×V0Rk×RnkV=V_t\times V_0\subseteq\mathbb{R}^k\times\mathbb{R}^{n-k} 以及 CmC^m-微分同胚
ψ:Vψ(V)Rn,\psi:V\to\psi(V)\subseteq\mathbb{R}^n,

使得 ψVt×{0}=φVt\psi|_{V_t\times\left\{\mathbf{0}\right\}}=\varphi|_{V_t}.

Pf. 不妨设 det(φixj(t))1i,jk0\det\left({\partial\varphi^i\over\partial x^j}(\mathbf{t})\right)_{1\leq i,j\leq k}\neq 0t0\mathbf{t}_0 的某一开邻域上成立. 定义
ψ:RnRn,(t1,,tn)(φ1(t),,φk(t),φk+1(t)+tk+1,,φn(t)+tn),\psi:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n,\quad(t^1,\dots,t^n)\mapsto(\varphi^1(\mathbf{t}),\dots,\varphi^k(\mathbf{t}),\varphi^{k+1}(\mathbf{t})+t^{k+1},\dots,\varphi^n(\mathbf{t})+t^n),

则此时 detJψ0\det\mathbf{J}\psi\neq 0(t0,0)(\mathbf{t}_0,\mathbf{0}) 附近恒成立. 由逆映射定理可知存在 (t0,0)(\mathbf{t}_0,\mathbf{0}) 的一个邻域 V=U×V0Rk×RnkV=U\times V_0\subseteq\mathbb{R}^k\times\mathbb{R}^{n-k} 使得 ψV\psi|_VCmC^m-微分同胚. 由定义可知 ψU×{0}=φU\psi|_{U\times\left\{\mathbf{0}\right\}}=\varphi|_U. \Box

Prop.()(\ast) 中的变换为 CmC^m-微分同胚.

Pf.pp(U2,φ2)(U_2,\varphi_2) 下的坐标为 t0\mathbf{t}_0. 记 U:=U1U2U:=U_1\cap U_2, 由引理可知存在 pp 的一个邻域 WUW\subseteq U(t0,0)(\mathbf{t}_0,\mathbf{0}) 的一个邻域 V=Vt×V0Rk×RnkV=V_t\times V_0\subseteq\mathbb{R}^k\times\mathbb{R}^{n-k}, 以及 CmC^m-微分同胚
ψ:Vψ(V)=W.\psi:V\to\psi(V)=W.

使得 ψVt×{0}=φ2Vt\psi|_{V_t\times\left\{\mathbf{0}\right\}}=\varphi_2|_{V_t}. 记 π1:Rk×RnkRk\pi_1:\mathbb{R}^k\times\mathbb{R}^{n-k}\to\mathbb{R}^k 为投影映射, 我们就有
φ21φ1φ11(W)=π1ψ1φ1φ11(W),\varphi_2^{-1}\circ\varphi_1|_{\varphi_1^{-1}(W)}=\pi_1\circ\psi^{-1}\circ\varphi_1|_{\varphi_1^{-1}(W)},

也即 φ21φ1\varphi_2^{-1}\circ\varphi_1WW 上为 CmC^m 映射. 由于 ppUU 中任意选取, 就有
φ21φ1Cm(φ11(U),φ21(U)).\varphi_2^{-1}\circ\varphi_1\in C^m(\varphi_1^{-1}(U),\varphi_2^{-1}(U)).

同理可证 φ11φ2\varphi_1^{-1}\circ\varphi_2 也为 CmC^m 映射, 这样就得到二者均为 CmC^m-微分同胚. \Box

Def. 称定义在 kkCmC^m-光滑曲面 SS 上的函数 ffCmC^m-光滑的, 如果对 pS\forall p\in S 以及 pp 附近的一个局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi) 总有 fφCm(φ1(U))f\circ\varphi\in C^m(\varphi^{-1}(U)). 此时记 fCm(S)f\in C^m(S).

由上一个命题可知这一定义的良定性.

Exm.DRn1D\subseteq\mathbb{R}^{n-1} 为开集, f:URf:U\to\mathbb{R}CmC^m 的, 则
Γf:={(x,f(x))xD}\Gamma_f:=\left\{(\mathbf{x},f(\mathbf{x}))\mid\mathbf{x}\in D\right\}

n1n-1CmC^m 光滑曲面.

Pf. 定义映射
φ:DΓf,x(x,f(x)),\varphi:D\to\Gamma_f,\quad\mathbf{x}\mapsto(\mathbf{x},f(\mathbf{x})),

φ\varphiCmC^m 的, 且
rankφ=r(In1f)=n1,\operatorname{rank}\varphi=\operatorname{r}\begin{pmatrix}\mathbf{I}_{n-1}\\ \nabla f\end{pmatrix}=n-1,

Γf\Gamma_fn1n-1CmC^m 光滑曲面. \Box

Prop.ΩRn\Omega\subseteq\mathbb{R}^n 为开集, fCm(Ω),af(Ω)f\in C^m(\Omega),a\in f(\Omega)xf1(a)\forall\mathbf{x}\in f^{-1}(a)f(x)0\nabla f(\mathbf{x})\neq\mathbf{0}. 则 f1(a)f^{-1}(a)Rn\mathbb{R}^nn1n-1 维光滑曲面.

此时称这样的 aaff 的一个正则值.

Pf.x0f1(a)\forall x_0\in f^{-1}(a), 我们知道 f(x0)0\nabla f(\mathbf{x}_0)\neq\mathbf{0}. 不妨设 fxn(x0)0{\partial f\over\partial x^n}(\mathbf{x}_0)\neq 0, 则由隐函数定理可知存在 t0=(x01,,x0n1)\mathbf{t}_0=(x_0^1,\dots,x_0^{n-1}) 的邻域 DtD_tx0nx_0^n 的邻域 DxD_x 以及 CmC^m 映射
ψ:DtDx\psi:D_t\to D_x

使得 (t,xn)Dt×Dx(\mathbf{t},x^n)\in D_t\times D_x 满足 f(t,xn)=af(\mathbf{t},x^n)=a 当且仅当 xn=ψ(t)x^n=\psi(\mathbf{t}). 定义映射
φ:Dt(Dt×Dx)f1(a),t(t,φ(t)),\varphi:D_t\to (D_t\times D_x)\cap f^{-1}(a),\quad\mathbf{t}\mapsto(\mathbf{t},\varphi(\mathbf{t})),

(φ(Dt),φ)(\varphi(D_t),\varphi) 给出了 f1(a)f^{-1}(a)x0\mathbf{x}_0 附近的局部坐标系. \Box

Exm.f(x,y)=x2+y2f(x,y)=x^2+y^2, 则 f1(1)=S1f^{-1}(1)=S^111 维光滑曲线.

Exm.f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2, 则 f1(1)=S2f^{-1}(1)=S^222 维光滑曲面.

Exm.f(x,y,z)=x2+y2+1z2f(x,y,z)=x^2+y^2+1-z^2, 则 f1(0)f^{-1}(0)22 维光滑曲面.

Exm. 圆周 (ya)2+z2=r2(y-a)^2+z^2=r^2zz 轴旋转一周得到环面
z2+(x2+y2a)2=r2.z^2+\left(\sqrt{x^2+y^2}-a\right)^2=r^2.

f(x,y,z)=z2+(x2+y2a)2f(x,y,z)=z^2+(\sqrt{x^2+y^2}-a)^2, 则上述曲面即 f1(r2)f^{-1}(r^2), 为 22 维曲面.

Prop.F:RnRnkF:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^{n-k}CmC^m 映射. 设 F1(0)F^{-1}(\mathbf{0}) 非空且在其上 FF 的秩恒为 nkn-k, 则 F1(0)F^{-1}(0)kk 维光滑曲面.

Pf. 仿照 k=1k=1 的情形即证. \Box

Exm.F(x,y,z)=(x2+y2+z21,x+y+z)F(x,y,z)=(x^2+y^2+z^2-1,x+y+z), 则 S:=F1(0,0)S:=F^{-1}(0,0)11 维光滑曲面. 此时 SS 实际上是旋转了的圆.

Section X. 2. 曲面的定向

R3\mathbb{R}^3 中曲线和曲面的定向

SSR3\mathbb{R}^3 中的光滑曲线, 在 pSp\in S 附近有局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi):
φ:(1,1)R3,φ(0)=p.\varphi:(-1,1)\to\mathbb{R}^3,\quad\varphi(0)=p.

则此时 φ\varphi 给出了 SSUU 上的一个定向: 在 q=φ(t)U\forall q=\varphi(t)\in U 处, 存在 SS 的定向 φ(t)\varphi'(t). 如果 SSpp 处还有另一个局部坐标系 (V,ψ)(V,\psi), 则在 q=ψ(s)V\forall q=\psi(s)\in V 处 存在 SS 的定向 ψ(s)\psi'(s).

由之前的引理可知, 两个局部坐标系之间有变换 s=ψ1φ(t)s=\psi^{-1}\circ\varphi(t). 此时 SSqq 的两个切向量之间有关系
φ(t)=ψ(s) ⁣ds ⁣dt.\varphi'(t)=\psi'(s){\operatorname{}\!\mathrm{d}s\over\operatorname{}\!\mathrm{d}t}.

因此, 只要  ⁣ds ⁣dt>0{\operatorname{}\!\mathrm{d}s\over\operatorname{}\!\mathrm{d}t}>0, 两个坐标系就给出相同的定向
φ(t)Jφ(t)=ψ(s)Jψ(s),{\varphi'(t)\over\|\mathbf{J}\varphi(t)\|}={\psi'(s)\over\|\mathbf{J}\psi(s)\|},

此时称两个坐标系为相容的.

Def.SSR3\mathbb{R}^3 中的曲线. 如果存在相容的图卡 {(Uα,φα)αA}\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\} 使得任意两个 UαUβU_\alpha\cap U_\beta\neq\emptysetα,β\alpha,\beta 都有
φβ1φα:φα1(UαUβ)φβ1(UαUβ)\varphi_\beta^{-1}\circ\varphi_\alpha:\varphi_\alpha^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)\to\varphi_\beta^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)

满足 (φβ1φα)>0(\varphi_\beta^{-1}\circ\varphi_\alpha)'>0, 则称 SS 为可定向的曲线.

Rmk. 可以证明, 一维曲线总是可定向的.

SSR3\mathbb{R}^3 中的光滑曲面, 在 pSp\in S 附近有局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi):
φ:(1,1)2S,φ(0,0)=p.\varphi:(-1,1)^2\to S,\quad\varphi(0,0)=p.

则此时在 q=φ(t)U\forall q=\varphi(\mathbf{t})\in U 处有两个切向量
e1=φt1=(φ1t1(t),φ2t1(t),φ3t1(t)),e2=φt2=(φ1t2(t),φ2t2(t),φ3t2(t)).\mathbf{e}_1={\partial\varphi\over\partial t^1}=\left({\partial\varphi^1\over\partial t^1}(\mathbf{t}),{\partial\varphi^2\over\partial t^1}(\mathbf{t}),{\partial\varphi^3\over\partial t^1}(\mathbf{t})\right)^\intercal,\\ \mathbf{e}_2={\partial\varphi\over\partial t^2}=\left({\partial\varphi^1\over\partial t^2}(\mathbf{t}),{\partial\varphi^2\over\partial t^2}(\mathbf{t}),{\partial\varphi^3\over\partial t^2}(\mathbf{t})\right)^\intercal.

由于 rankφ=2\operatorname{rank}\varphi=2, 于是 e1,e2\mathbf{e}_1,\mathbf{e}_2 线性无关. 它们给出了 qq 处的一个定向, 这一定向可以表示为法向量
n=e1×e2e1×e2.\mathbf{n}={\mathbf{e}_1\times\mathbf{e}_2\over\|\mathbf{e}_1\times\mathbf{e}_2\|}.

SSpp 附近还有另一个局部坐标系 (V,ψ)(V,\psi), 则它也给出 qq 处的一个定向 e~1,e~2,n~\mathbf{\widetilde e}_1,\mathbf{\widetilde e}_2,\mathbf{\widetilde n}. 考虑两个局部坐标系之间的变换
ψ1φ:φ1(UV)ψ1(UV),\psi^{-1}\circ\varphi:\varphi^{-1}(U\cap V)\to\psi^{-1}(U\cap V),

记它的 Jocabian 为 J\mathbf{J}, 则容易导出
(e1,e2)=(e~1,e~2)J.(\mathbf{e}_1,\mathbf{e}_2)=(\mathbf{\widetilde e}_1,\mathbf{\widetilde e}_2)\mathbf{J}.

由于 N,N~\mathbf{N},\mathbf{\widetilde N} 均垂直于 qq 点处的切平面, 故容易得知 N=±N~\mathbf{N}=\pm\mathbf{\widetilde N}. 进一步, 容易得到
N=detJdetJN~,\mathbf{N}={\det\mathbf{J}\over|\det\mathbf{J}|}\mathbf{\widetilde N},

于是只要 detJ>0\det\mathbf{J}>0, 两个局部坐标系就给出相容的定向.

Def.SSR3\mathbb{R}^3 中的曲面. 如果存在相容的图卡 {(Uα,φα)αA}\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\} 使得任意两个 UαUβU_\alpha\cap U_\beta\neq\emptysetα,β\alpha,\beta 都有
φβ1φα:φα1(UαUβ)φβ1(UαUβ)\varphi_\beta^{-1}\circ\varphi_\alpha:\varphi_\alpha^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)\to\varphi_\beta^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)

满足 detJ(φβ1φα)>0\det\mathbf{J}(\varphi_\beta^{-1}\circ\varphi_\alpha)>0, 则称 SS 为可定向的曲面.

Prop.R3\mathbb{R}^3 中的一张光滑曲面 SS, SS 可定向当且仅当 SS 上存在连续的单位法向量场 N\mathbf{N}.

单位法向量场即每个点到该点的一个单位法向量的映射.

Pf. 必要性显然, 下证充分性. 如果存在这样的单位法向量场 N\mathbf{N}, 则对 SS 上的任一局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi), 由于 (不妨设 UU 连通)
N,φt1×φt2φt1×φt2\left\langle\mathbf{N},{\varphi_{t^1}\times\varphi_{t^2}\over\|\varphi_{t^1}\times\varphi_{t^2}'\|}\right\rangle

UU 上连续且取值为 ±1\pm 1, 故只需要调整 t1,t2t^1,t^2 的次序即可使得在 UU 上有
N=φt1×φt2φt1×φt2,\mathbf{N}={\varphi_{t^1}\times\varphi_{t^2}\over\|\varphi_{t^1}\times\varphi_{t^2}'\|},

于是得到了 SS 上的一组有相容定义的局部坐标系. \Box

Exm (Möbius 带).AB={(x,y,z)R3x=0,y=2,z<1}AB=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{R}^3\mid x=0,y=2,|z|<1\right\}yOzyOz 平面上的线段. 将 ABAB 沿着 xyxy 平面上的圆周 x2+y2=4x^2+y^2=4zz 轴旋转一圈, 要求 ABAB 转过角度 θ\theta 的同时倾斜 12θ\frac 12\theta 角度.

它有参数表示:
φ(u,v)=((2usinv2)sinv,(2usinv2)cosv,ucosv2),\varphi(u,v)=\left(\left(2-u\sin\frac v2\right)\sin v,\left(2-u\sin\frac v2\right)\cos v,u\cos\frac v2\right),

其中 u(1,1),v[0,2π)u\in(-1,1),v\in[0,2\pi). 此时简单讨论容易发现不存在曲面上的连续单位法向量场, 于是它不可定向.

Exm.UR3U\subseteq\mathbb{R}^3 为开集, FCm(U),aF\in C^m(U),aFF 的正则值, 则 S:=F1(a)S:=F^{-1}(a) 为可定向曲面.

Pf. 只需取 N:=FFN:={\nabla F\over\|\nabla F\|} 即为 SS 上的一个单位法向量场. \Box

Rn\mathbb{R}^n 中曲面的定向

Def.Rn\mathbb{R}^n 上的光滑曲面是可定向的, 如果存在 SS 的一个图卡 {(Uα,φα)αA}\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\} 使得对满足 UαUβU_\alpha\cap U_\betaα,β\alpha,\beta 总有
φβ1φα:φα1(UαUβ)φβ1(UαUβ)\varphi_\beta^{-1}\circ\varphi_\alpha:\varphi_\alpha^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)\to\varphi_\beta^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)

的 Jocabian 的行列式 >0>0.

这里的一个 "定向" 的含义是 kk 个线性无关的切向量 (kkSS 的维数). 当 k=n1k=n-1 时, 也可以用法向量来刻画定向.

Exm.ΩRn\Omega\subseteq\mathbb{R}^n 为开集, F:ΩRnkF:\Omega\to\mathbb{R}^{n-k}CmC^m 映射. 设 aaFF 的正则值, 则 S:=F1(a)S:=F^{-1}(a) 为可定向曲面.

Pf.pS\forall p\in S, F1(p),,Fnk(p)\nabla F^1(p),\dots,\nabla F^{n-k}(p) 张成 (TpS)(\mathrm{T}_pS)^\perp. 设 (U,φ)(U,\varphi)pp 点处的一个局部坐标系, 其中
φ:(1,1)kUS\varphi:(-1,1)^k\to U\subseteq S

CmC^m 映射. 则
e1:=(φt1),,ek:=(φtk)\mathbf{e}_1:=\left(\partial\varphi\over\partial t^1\right)^\intercal,\quad\dots,\quad\mathbf{e}_k:=\left(\partial\varphi\over\partial t^k\right)^\intercal

张成了 UU 上各点的切空间. 考虑行列式
det(F1(p),,Fnk(p),e1(p),,ek(p)),\det\left(\nabla F^1(p),\dots,\nabla F^{n-k}(p),\mathbf{e}_1(p),\dots,\mathbf{e}_k(p)\right),

则我们知道这一行列式在 UU 上非零. 对每个这样的局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi) 我们调整 t1,t2t^1,t^2 的次序使这一行列式 >0>0, 则对任意两个这样的坐标系 (U,φ),(V,ψ)(U,\varphi),(V,\psi), 我们有
(e1φ,,ekφ)=(e1ψ,,ekψ)(sitj)1i,jk.(\mathbf{e}_1^\varphi,\dots,\mathbf{e}_k^\varphi)=(\mathbf{e}_1^\psi,\dots,\mathbf{e}_k^\psi)\left(\partial s^i\over\partial t^j\right)_{1\leq i,j\leq k}.

注意到
(JF,eφ)=(JF,eψ)(InkOO(sitj)),(\mathbf{J} F,\mathbf{e}^\varphi)=(\mathbf{J} F,\mathbf{e}^\psi)\begin{pmatrix} \mathbf{I}_{n-k} & \mathbf{O}\\ \mathbf{O} & \left(\partial s^i\over\partial t^j\right) \end{pmatrix},

两边取行列式可知 det(sitj)>0\det\left(\partial s^i\over\partial t^j\right)>0, 于是任意两个局部坐标系总有相容的定向. \Box

Section X. 3. 曲面的边界及其定向

曲面的边界

考虑闭圆盘 B(0,1):={(x,y)R2x2+y21}\overline B(0,1):=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid x^2+y^2\leq 1\right\}, 其边界点的任意邻域不能与 R2\mathbb{R}^2 同胚, 于是 B(0,1)\overline B(0,1) 不是 22 维曲面. 但直观上, 它是一张 "带边的 22 维曲面".

为了刻画这一边界, 我们定义
Hk:={t=(t1,,tk)t10}\mathbb H^k:=\left\{\mathbf{t}=(t^1,\dots,t^k)\mid t_1\leq 0\right\}

为下半平面, 则
Hk={t=(t1,,tk)t1=0}.\partial\mathbb H^k=\left\{\mathbf{t}=(t^1,\dots,t^k)\mid t_1=0\right\}.

Def.SRnS\subseteq\mathbb{R}^n, 如果对 pS\forall p\in S, 存在 pp 的邻域 UU 以及同胚 φ:RkUS\varphi:\mathbb{R}^k\to U\cap Sφ:HkUS\varphi:\mathbb H^k\to U\cap S, 则称 SSkk 维带边曲面.

特别地, 如果 φ\varphiCmC^m 映射且 rankφk\operatorname{rank}\varphi\equiv k, 则称 SSkkCmC^m-光滑带边曲面.

Rmk. 定义在 Hk\mathbb H^k 上的映射 φ\varphiCmC^m 映射指的是 φ\varphiHk\mathbb H^k 某一开邻域上的 CmC^m 映射在 Hk\mathbb H^k 上的限制.

Def.SSRn\mathbb{R}^n 中的 kkCmC^m-光滑带边曲面, 称 pSp\in SSS 的边界点, 如果存在 SSpp 处的一个局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi), 使得 φ1(U)=Hk\varphi^{-1}(U)=\mathbb H^kφ1(p)Hk\varphi^{-1}(p)\in\partial\mathbb H^k. 记 SS 的所有边界点构成的集合为 S\partial S.

Rmk. 可以证明, 对 SS 的边界点 pp, 不存在 pp 附近的某一局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi) 使得 UU 同胚于 Rk\mathbb{R}^k, 于是这一定义良定.

Prop.SSkkCmC^m-光滑带边曲面, S\partial S\neq\emptyset, 则 S\partial S 是一张 k1k-1 维的 CmC^m-光滑曲面.

Pf.SS 有图卡
{(Uα,φα)αA}{(Vβ,ψβ)βB},\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\}\cup\left\{(V_\beta,\psi_\beta)\mid\beta\in\mathcal B\right\},

其中 φα:RkUα,ψβ:HkVβ\varphi_\alpha:\mathbb{R}^k\to U_\alpha,\psi_\beta:\mathbb H^k\to V_\betaCmC^m 映射. 则我们直接得到 S\partial S 的一个图汇
{(VβS,ψbHk)βB}.\left\{(V_\beta\cap\partial S,\psi_b|_{\partial\mathbb H^k})\mid\beta\in\mathcal B\right\}. \tag*{$\Box$}

Exm.URnU\subseteq\mathbb{R}^n 为开集, fCm(U)f\in C^m(U), 00ff 的正则值. 记
M:={xSf(x)0},S:={xUf(x)=0},M:=\left\{x\in S\mid f(x)\leq 0\right\},\quad S:=\left\{x\in U\mid f(x)=0\right\},

MMRn\mathbb{R}^nnn 维光滑带边曲面, 且 M=S\partial M=S.

Pf.

  1. xMSx\in M\setminus S, 则可以取到包含 xx 的一个 nn 维开区间 VUV\subseteq U 使得 fV<0f|_V<0. 此时 (V,idV)(V,\operatorname{id}_V)xx 附近的一个局部坐标系.

  2. xSx\in S, 则由于 f(x0)0\nabla f(x_0)\neq\mathbf{0}, 根据秩定理我们知道存在 xx 的邻域 WUW\subseteq U 以及 CmC^m-微分同胚 φ:RnW\varphi:\mathbb{R}^n\to W 使得
    fφ(t1,,tn)=t1.f\circ\varphi(t^1,\dots,t^n)=t^1.

    ψ:=φHn\psi:=\varphi|_{\mathbb H^n}, 则由上式可知 (WM,ψ)(W\cap M,\psi)xx 附近的一个局部坐标系. \Box

曲面边界的诱导定向

作为一张可定向曲面, 我们可以直接取 Hn\mathbb H^n 中的标准单位向量 e1,,en\mathbf{e}_1,\dots,\mathbf{e}_n, 则它们给出了 Hn\mathbb H^n 的一个定向. 考虑 HnHn\partial\mathbb H^n\subseteq\mathbb H^n, 则我们知道 e2,,en\mathbf{e}_2,\dots,\mathbf{e}_n 可以给出 Hn\partial\mathbb H^n 的一个定向, 称为由 Hk\mathbb H^k 的定向诱导的定向.

Prop.SRnS\subseteq\mathbb{R}^nkkCmC^m-光滑可定向曲面, 其中 k2k\geq 2. 则 S\partial Sk1k-1CmC^m-光滑可定向曲面.

Pf.{(Uα,φα)αA}\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\}SS 的一组相容坐标系, 且不妨设每个 UαSU_\alpha\cap\partial S\neq\emptyset, 也即 φα1(Uα)=Hk\varphi_\alpha^{-1}(U_\alpha)=\mathbb H^k. 我们只用证明
{(UαS,φαHk)αA}\left\{(U_\alpha\cap\partial S,\varphi_\alpha|_{\partial\mathbb H^k})\mid\alpha\in\mathcal A\right\}

S\partial S 的一组相容坐标系. 记 ψα:=φαHk\psi_\alpha:=\varphi_\alpha|_{\partial\mathbb H^k}, 我们只用证明
ψβ1ψα:φα1(UαUβS)φβ1(UαUβS)\psi_\beta^{-1}\circ\psi_\alpha:\varphi_\alpha^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta\cap\partial S)\to\varphi_\beta^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta\cap\partial S)

的 Jocabian 的行列式 >0>0. 设二者的局部坐标为 t=(t1,,tk)\mathbf{t}=(t^1,\dots,t^k)s=(s1,,sk)\mathbf{s}=(s^1,\dots,s^k), 则当 tφα1(UαUβ)Hk\mathbf{t}\in\varphi_\alpha^{-1}(U_\alpha\cap U_\beta)\cap\partial\mathbb H^k 时, 我们知道
s1(t1δ,t2,,tn)<0=s1(t),δ>0s1(t1,,tj+δ,,tn)=0=s1(t),δR,1<jks^1(t^1-\delta,t^2,\dots,t^n)<0=s^1(\mathbf{t}),\quad\forall\delta>0\\ s^1(t^1,\dots,t^j+\delta,\dots,t^n)=0=s^1(\mathbf{t}),\quad\forall\delta\in\mathbb{R},1<j\leq k\\

对上下两式分别取 δ0\delta\to 0 的极限有
s1t1(t)>0,s1tj(t)=0,j=2,,n.{\partial s^1\over\partial t^1}(\mathbf{t})>0,\quad {\partial s^1\over\partial t^j}(\mathbf{t})=0,\quad j=2,\dots,n.

于是将 det(sitj)\det\left(\partial s^i\over\partial t^j\right) 按第一行展开就有
det(sitj)=(s1t1)det(sitj)i,j>1>0    det(sitj)i,j>1>0,\det\left(\partial s^i\over\partial t^j\right)=\left(\partial s^1\over\partial t^1\right)\det\left(\partial s^i\over\partial t^j\right)_{i,j>1}>0\\ \implies\det\left(\partial s^i\over\partial t^j\right)_{i,j>1}>0,

于是就有结论成立. \Box

Rmk. k=1k=1 的情况比较特殊, 我们不能通过交换变量顺序更改行列式的符号. 从而不能只使用 H1=R\mathbb H^1=\mathbb{R}_- 作为参数空间, 还需要使用 R+\mathbb R_+, 否则将导出 [0,1][0,1] 不可定向的结论.

Rmk. 实际上我们可以证明, 11 维连通光滑带边曲面总同胚于如下的曲面之一:
R1,H1,[0,1],S1.\mathbb{R}^1,\quad\mathbb H^1,\quad [0,1],\quad S^1.

Rmk. Rn\mathbb{R}^n 中的 nn 维曲面总可定向, 因为总可以调整变量顺序使得其上的任意一个局部坐标系的 Jocabian 的行列式 >0>0. 这一定向称为其上的自然定向.

Exm. 考虑 B(0,1):={(x,y)x2+y21}\overline B(0,1):=\left\{(x,y)\mid x^2+y^2\leq 1\right\}, 它有自然定向
φ:(r,θ)(rcosθ,rsinθ),\varphi:(r,\theta)\mapsto(r\cos\theta,r\sin\theta),

此时 B(0,1)\partial\overline B(0,1) 上的诱导定向由 ψ:θ(cosθ,sinθ)\psi:\theta\mapsto(\cos\theta,\sin\theta) 给出.

Exm. 考虑 R3\mathbb{R}^3 中的单位半球面 SS, 它有局部坐标系
φ:(0,π/2]×(0,2π)R3,(θ1,θ2)(sinθ1cosθ2,sinθ1sinθ2,cosθ1).\varphi:(0,\pi/2]\times(0,2\pi)\to\mathbb{R}^3,\quad(\theta_1,\theta_2)\mapsto(\sin\theta_1\cos\theta_2,\sin\theta_1\sin\theta_2,\cos\theta_1).

此时在 S\partial S 上它有局部坐标系
ψ:(0,2π)R3,θ2(cosθ2,sinθ2,0).\psi:(0,2\pi)\to\mathbb{R}^3,\quad\theta_2\mapsto(\cos\theta_2,\sin\theta_2,0).

一般地, 对 R3\mathbb{R}^3 中的 22 维光滑可定向曲面 SS, 设已经确定了其上的单位法向量场, 则 S\partial S 上的定向可以如下简单确定: 当人沿着 S\partial S 行动, 满足其头的方向为该点法向量且 SS 在其左手边时, 人行走的方向给出 S\partial S 的一个诱导定向.

Section X. 4. Rn\mathbb{R}^n 中曲面的面积

Cauchy-Binet 公式

ξ1,ξ2\xi_1,\xi_2R3\mathbb{R}^3 中的两个线性无关向量, 记 V(ξ1,ξ2)V(\xi_1,\xi_2) 为由其张成的平行四边形的面积. 我们知道
V2(ξ1,ξ2)=ξ12ξ22sin2θ=ξ12ξ22(1ξ1,ξ22ξ12ξ22)=ξ12ξ22ξ1,ξ22=det(ξ1,ξ1ξ1,ξ2ξ2,ξ1ξ2,ξ2)=det(ξξ),ξ=(ξ1,ξ2).\begin{align*} V^2(\xi_1,\xi_2)&=\|\xi_1\|^2\|\xi_2\|^2\sin^2\theta\\ &=\|\xi_1\|^2\|\xi_2\|^2\left(1-{\left\langle\xi_1,\xi_2\right\rangle^2\over\|\xi_1^2\|\|\xi_2\|^2}\right)\\ &=\|\xi_1\|^2\|\xi_2\|^2-\left\langle\xi_1,\xi_2\right\rangle^2\\ &=\det\begin{pmatrix} \left\langle\xi_1,\xi_1\right\rangle & \left\langle\xi_1,\xi_2\right\rangle\\ \left\langle\xi_2,\xi_1\right\rangle & \left\langle\xi_2,\xi_2\right\rangle \end{pmatrix}\\ &=\det(\xi^\intercal\xi),\quad\xi=(\xi_1,\xi_2). \end{align*}

同理, 对 Rn\mathbb{R}^n 中的 kk 个线性无关向量 ξ1,,ξk\xi_1,\dots,\xi_k, 也有
V2(ξ1,,ξk)=det(ξi,ξj)    V(ξ1,,ξk)=det(ξi,ξj).V^2(\xi_1,\dots,\xi_k)=\det\left(\left\langle\xi_i,\xi_j\right\rangle\right) \implies V(\xi_1,\dots,\xi_k)=\sqrt{\det\left(\left\langle\xi_i,\xi_j\right\rangle\right)}.

Prop. 根据 Cauchy-Binet 公式, 我们有
V(ξ1,,ξk)=IAdetξIξI,V(\xi_1,\dots,\xi_k)=\sum_{I\in\mathcal A}\det\xi_I^\intercal\xi_I,

其中
ξI=(ξjii),A={(i1,,ik)1i1<<ikn}.\xi_I=\left(\xi_j^{i_i}\right),\quad\mathcal A=\left\{(i_1,\dots,i_k)\mid 1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n\right\}.

Lm. 正交变换不改变 V(ξ1,,ξk)V(\xi_1,\dots,\xi_k).

Prop. 选取一组合适的标准正交基, 使得在这组基下
ξi=(ζi,0,,0),ζiRk1,i=1,,k1ξk=(ζk,1,,ζk,k,0,,0),\xi_i=(\zeta_i,0,\dots,0),\quad\zeta_i\in\mathbb{R}^{k-1},i=1,\dots,k-1\\ \xi_k=(\zeta_{k,1},\dots,\zeta_{k,k},0,\dots,0),

则我们知道
V(ξ1,,ξk)=det(ζ1,,ζk1)ζkk,V(\xi_1,\dots,\xi_k)=|\det(\zeta_1,\dots,\zeta_{k-1})||\zeta_{kk}|,

也即 V(ξ1,,ξk)V(\xi_1,\dots,\xi_k) 的面积恰为 ξ1,,ξk1\xi_1,\dots,\xi_{k-1} 张成的 k1k-1 维多面体的面积乘以 ξk\xi_k 到这一多面体的体积.

kk 维光滑曲面的面积

Prop. 设曲面 SS 由局部坐标系 φ:DS\varphi:D\to S 给出, 其中 DRkD\subseteq\mathbb{R}^k 为开集, φ\varphi 光滑. 在 t0D\mathbf{t}_0\in D 附近, 曲面在 φ(t0)\varphi(\mathbf{t}_0) 点处有切向量
ξi=φti(t0),i=1,,k,\xi_i={\partial\varphi\over\partial t^i}(\mathbf{t}_0),\quad i=1,\dots,k,

此时考虑一个充分小的 ΔtRk\Delta\mathbf{t}\in\mathbb{R}^k, 记 II 为以 t0\mathbf{t}_0t0+Δt\mathbf{t}_0+\Delta\mathbf{t} 为对角顶点的长方体, 则曲面片 φ(I)\varphi(I) 的面积可以近似由
det(ξi,ξj)i=1kΔti\sqrt{\det(\left\langle\xi_i,\xi_j\right\rangle)}\prod_{i=1}^k|\Delta t^i|

给出. 此时 g:=ξi,ξj\mathbf{g}:=\left\langle\xi_i,\xi_j\right\rangle 称作 SSRn\mathbb{R}^n 中诱导的第一基本形式 (Riemann 度量), gij=ξi,ξjg_{ij}=\left\langle\xi_i,\xi_j\right\rangle 为其分量.

Def.Rn\mathbb{R}^n 中的 kk 维曲面有局部坐标系 (参数表示) φ:DS\varphi:D\to S, 其中 DRkD\subseteq\mathbb{R}^k 为 Jordan 可测的开集, φ\varphi 为光滑映射. 则定义 SS 的面积
V(S):=Ddet(φti,φtj) ⁣dt.V(S):=\int_D\sqrt{\det\left(\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^i},{\partial\varphi\over\partial t^j}\right\rangle\right)}\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}.

上述定义与坐标系的选取无关. 这是因为如果 SS 有另一个参数表示 ψ:ΩS\psi:\Omega\to S, 则两个坐标系之间的变换为
s=g(t)=ψ1φ(t)    φitj=(ψig)tj=l=1kgltjψisl.\mathbf{s}=g(\mathbf{t})=\psi^{-1}\circ\varphi(\mathbf{t})\\ \implies{\partial\varphi^i\over\partial t^j}={\partial(\psi^i\circ g)\over\partial t^j}=\sum_{l=1}^k{\partial g^l\over\partial t^j}{\partial\psi^i\over\partial s^l}.

此时由积分的变量代换公式有
Ωdet(ψsi,ψsj) ⁣ds=Ddet(ψsi,ψsj)detJg(t) ⁣dt=Ddet(gisj)det(ψsi,ψsj)det(gisj) ⁣dt=Ddet(φti,φtj) ⁣dt\begin{align*} \int_\Omega\sqrt{\det\left(\left\langle{\partial\psi\over\partial s^i},{\partial\psi\over\partial s^j}\right\rangle\right)}\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{s}&=\int_D\sqrt{\det\left(\left\langle{\partial\psi\over\partial s^i},{\partial\psi\over\partial s^j}\right\rangle\right)}\cdot|\det\mathbf{J} g(\mathbf{t})|\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}\\ &=\int_D\sqrt{\det\left(\partial g^i\over\partial s^j\right)^\intercal\det\left(\left\langle{\partial\psi\over\partial s^i},{\partial\psi\over\partial s^j}\right\rangle\right)\det\left(\partial g^i\over\partial s^j\right)}\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}\\ &=\int_D\sqrt{\det\left(\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^i},{\partial\varphi\over\partial t^j}\right\rangle\right)}\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}\\ \end{align*}

Rmk.k=nk=n 时, 上述公式退化为多重积分的换元公式. 这是因为此时
det(φti,φtj)=det((iφtj)(iφtj))=det2(iφtj)=det2Jφ.\det\left(\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^i},{\partial\varphi\over\partial t^j}\right\rangle\right)=\det\left(\left({\partial^i\varphi\over\partial t^j}\right)^\intercal\left({\partial^i\varphi\over\partial t^j}\right)\right)={\rm det}^2\left({\partial^i\varphi\over\partial t^j}\right)={\rm det}^2\mathbf{J}\varphi.

于是
V(S)=Ddet(φti,φtj) ⁣dt=DdetJφ ⁣dt=S ⁣dx.V(S)=\int_D\sqrt{\det\left(\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^i},{\partial\varphi\over\partial t^j}\right\rangle\right)}\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}=\int_D\left|\det\mathbf{J}\varphi\right|\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}=\int_S\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{x}.

Exm.SRnS\subseteq\mathbb{R}^n 为光滑曲线, 则其长度
V(S)=αβ(φ1t)2++(φnt)2 ⁣dt弧长微元.V(S)=\int_\alpha^\beta\underbrace{\sqrt{\left(\partial\varphi^1\over\partial t\right)^2+\cdots+\left(\partial\varphi^n\over\partial t\right)^2}\operatorname{}\!\mathrm{d}t}_{\text{弧长微元}}.

Exm.SRnS\subseteq\mathbb{R}^n 为光滑二维曲面. 记
E:=φt1,φt1(=g11),F:=φt1,φt2(=g12),G:=φt2,φt2(=g22),E:=\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^1},{\partial\varphi\over\partial t^1}\right\rangle(=g_{11}),\quad F:=\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^1},{\partial\varphi\over\partial t^2}\right\rangle(=g_{12}),\quad G:=\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^2},{\partial\varphi\over\partial t^2}\right\rangle(=g_{22}),

则其面积
V(S)=DEGF2 ⁣dt1 ⁣dt2.V(S)=\int_D\sqrt{EG-F^2}\operatorname{}\!\mathrm{d}t^1\operatorname{}\!\mathrm{d}t^2.

Exm. 计算 R3\mathbb{R}^3 中球面的面积. 设球的半径为 RR, 取极坐标表示
x=Rsinθcosφ,y=Rsinθsinφ,z=Rcosθ,x=R\sin\theta\cos\varphi,\quad y=R\sin\theta\sin\varphi,\quad z=R\cos\theta,

其中 0<θ<π,0<φ<2π0<\theta<\pi,0<\varphi<2\pi. 记
ξ1=(Rcosθcosφ,Rcosθsinφ,Rsinθ),ξ2=(Rsinθsinφ,Rsinθcosφ,0),\xi_1=(R\cos\theta\cos\varphi,R\cos\theta\sin\varphi,-R\sin\theta),\\ \xi_2=(-R\sin\theta\sin\varphi,R\sin\theta\cos\varphi,0),


E=ξ1,ξ1=R2,F=ξ1,ξ2=0,G=ξ2,ξ2=R2sin2θ,E=\left\langle\xi_1,\xi_1\right\rangle=R^2,\quad F=\left\langle\xi_1,\xi_2\right\rangle=0,\quad G=\left\langle\xi_2,\xi_2\right\rangle=R^2\sin^2\theta,

于是
V(S)=02π ⁣dφ0πR2sinθ ⁣dθ=4πR2.V(S)=\int_0^{2\pi}\operatorname{}\!\mathrm{d}\varphi\int_0^\pi R^2\sin\theta\operatorname{}\!\mathrm{d}\theta=4\pi R^2.

Exm. R3\mathbb{R}^3 中旋转曲面的面积. 设曲面 SS 是曲线 y=f(x)y=f(x) 绕着 xx 轴旋转所得的曲面, 其中 a<x<b,f(x)>0a<x<b,f(x)>0 为光滑函数. 此时 SS 有局部坐标系
φ:(a,b)×(0,2π)R3,(u,v)(u,f(u)cosv,f(u)sinv).\varphi:(a,b)\times(0,2\pi)\to\mathbb{R}^3,\quad (u,v)\mapsto(u,f(u)\cos v,f(u)\sin v).

此时
φu=(1,f(u)cosv,f(u)sinv),φv=(0,f(u)sinv,f(u)cosv),{\partial\varphi\over\partial u}=(1,f'(u)\cos v,f'(u)\sin v),\quad{\partial\varphi\over\partial v}=(0,-f(u)\sin v,f(u)\cos v),

于是
E=1+f(u)2,F=0,G=f2(u),    V(S)=ab ⁣du02πf(u)1+f(u)2 ⁣dv=2πabf(u)1+f(u)2 ⁣du.E=1+f'(u)^2,\quad F=0,\quad G=f^2(u),\\ \implies V(S)=\int_a^b\operatorname{}\!\mathrm{d}u\int_0^{2\pi}f(u)\sqrt{1+f'(u)^2}\operatorname{}\!\mathrm{d}v=2\pi\int_a^bf(u)\sqrt{1+f'(u)^2}\operatorname{}\!\mathrm{d}u.

Exm. 计算环面
φ(u,v)=((2+cosu)cosv,(2+cosu)sinv,sinu),0<u,v<2π\varphi(u,v)=((2+\cos u)\cos v,(2+\cos u)\sin v,\sin u),\quad 0<u,v<2\pi

的面积.

Sol I. 直接计算得到
E=1,F=0,G=(2+cosu)2,    V(S)=02π ⁣du02π(2+cosu) ⁣dv=8π2.E=1,\quad F=0,\quad G=(2+\cos u)^2, \implies V(S)=\int_0^{2\pi}\operatorname{}\!\mathrm{d}u\int_0^{2\pi}(2+\cos u)\operatorname{}\!\mathrm{d}v=8\pi^2.

Sol II. 将环面看做
f(z)=2+1z2,g(z)=21z2f(z)=2+\sqrt{1-z^2},\quad g(z)=2-\sqrt{1-z^2}

绕着 zz 轴旋转 2π2\pi 得到的两个旋转面的拼接. 利用旋转面的面积公式有
V(S)=2π11f(z)1+f(z)2+g(z)1+g(z)2 ⁣dz=2π11(f(z)+g(z))11z2 ⁣dz=8π1111z2 ⁣dz=8π2.\begin{align*} V(S)&=2\pi\int_{-1}^1f(z)\sqrt{1+f'(z)^2}+g(z)\sqrt{1+g'(z)^2}\operatorname{}\!\mathrm{d}z\\ &=2\pi\int_{-1}^1(f(z)+g(z)){1\over\sqrt{1-z^2}}\operatorname{}\!\mathrm{d}z\\ &=8\pi\int_{-1}^1{1\over\sqrt{1-z^2}}\operatorname{}\!\mathrm{d}z=8\pi^2. \end{align*}

Section X. 5. 第一型曲线, 曲面积分

Def.SSRn\mathbb{R}^n 中的 kk 维光滑曲面, fC(S)f\in C(S). 假定 supp(f)\operatorname{supp}(f) 紧致且包含于 SS 的某一局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi) 中, 则定义 ffSS 上的第一型曲面积分
Sf ⁣dv=φ1(U)fφ(t)det(φti,φtj) ⁣dt.\int_S f\operatorname{}\!\mathrm{d}v=\int_{\varphi^{-1}(U)}f\circ\varphi(\mathbf{t})\cdot\sqrt{\det\left(\left\langle{\partial\varphi\over\partial t^i},{\partial\varphi\over\partial t^j}\right\rangle\right)}\operatorname{}\!\mathrm{d}\mathbf{t}.

Rmk.

Rmk.n=kn=k 时上式退化为多重积分的换元公式.

Exm. 设曲线 γ\gamma 为球 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 与平面 x+y+z=0x+y+z=0 相交得到的曲线. 计算
γx2 ⁣ds\int_\gamma x^2\operatorname{}\!\mathrm{d}s

Sol I. 由于 x,y,zx,y,z 地位的对称性, 有
γx2 ⁣ds=13γ(x2+y2+z2) ⁣ds=13R2γ ⁣ds=23πR3.\int_\gamma x^2\operatorname{}\!\mathrm{d}s=\frac 13\int_{\gamma}(x^2+y^2+z^2)\operatorname{}\!\mathrm{d}s=\frac 13R^2\int_{\gamma}\operatorname{}\!\mathrm{d}s=\frac 23\pi R^3.

Sol II. 我们直接给出 γ\gamma 的一个参数表示. 考虑平面 x+y+z=0x+y+z=0 的法向量 Ew=ex+ey+ez\mathbf{E}_w=\mathbf{e}_x+\mathbf{e}_y+\mathbf{e}_z 以及平面上的两个正交向量
Eu=exey,Ev=ex+ey2ez.\mathbf{E}_u=\mathbf{e}_x-\mathbf{e}_y,\quad\mathbf{E}_v=\mathbf{e}_x+\mathbf{e}_y-2\mathbf{e}_z.

对其单位化有
eu=12(exey),ev=16(ex+ey2ez),ew=13(ex+ey+ez).\mathbf{e}_u={1\over\sqrt 2}(\mathbf{e}_x-\mathbf{e}_y),\quad\mathbf{e}_v={1\over\sqrt 6}(\mathbf{e}_x+\mathbf{e}_y-2\mathbf{e}_z),\quad\mathbf{e}_w={1\over\sqrt 3}(\mathbf{e}_x+\mathbf{e}_y+\mathbf{e}_z).

于是有坐标的正交替换
(xyz)=(12161312161302613)(uvw),\begin{pmatrix} x\\[5pt] y\\[5pt] z \end{pmatrix}= \begin{pmatrix} 1\over\sqrt 2 & 1\over\sqrt 6 & 1\over\sqrt 3\\[5pt] -{1\over\sqrt 2} & 1\over\sqrt 6 & 1\over\sqrt 3\\[5pt] 0 & -{2\over\sqrt 6} & 1\over\sqrt 3\\ \end{pmatrix} \begin{pmatrix} u\\[5pt] v\\[5pt] w \end{pmatrix},

γ\gamma 所在平面上, w=0w=0, 于是有 u,v,wu,v,w 的极坐标替换
u=Rcost,v=Rsint,w=0,u=R\cos t,\quad v=R\sin t,\quad w=0,

于是可以直接得到 γ\gamma 的参数表示
x=12Rcost+16Rsint,y=12Rcost+16Rsint,z=26Rsint,0t2π.x={1\over\sqrt 2}R\cos t+{1\over\sqrt 6}R\sin t,\quad y=-{1\over\sqrt 2}R\cos t+{1\over\sqrt 6}R\sin t,\quad z=-{2\over\sqrt 6}R\sin t,\quad 0\leq t\leq 2\pi.

随后用第一曲线积分的定义计算可得相同的结果.

Exm. 曲面 S={(x,y,z)x2+y2+z2=R2,zk}S=\left\{(x,y,z)\mid x^2+y^2+z^2=R^2,z\geq k\right\}, 其中 0<k<R0<k<R. 计算
S1z ⁣dv.\int_S{1\over z}\operatorname{}\!\mathrm{d}v.

Sol. 考虑曲面的参数化
(x,y,z)=φ(θ1,θ2)=(Rsinθ1sinθ2,Rsinθ1cosθ2,Rcosθ1),(x,y,z)=\varphi(\theta_1,\theta_2)=(R\sin\theta_1\sin\theta_2,R\sin\theta_1\cos\theta_2,R\cos\theta_1),

于是
S1z ⁣dv=0tan1(k/R)02πR2sinθ1Rcosθ1 ⁣dθ1 ⁣dθ2=2πRlogRk.\int_S{1\over z}\operatorname{}\!\mathrm{d}v=\int_0^{\tan^{-1}(k/R)}\int_0^{2\pi}{R^2\sin\theta_1\over R\cos\theta_1}\operatorname{}\!\mathrm{d}\theta_1\operatorname{}\!\mathrm{d}\theta_2=2\pi R\log\frac Rk.

Claim (单位分解).SRnS\subseteq\mathbb{R}^n 为光滑 kk 维曲面. 任取 SS 上的图卡 {(Uα,φα)αA}\left\{(U_\alpha,\varphi_\alpha)\mid\alpha\in\mathcal A\right\}, 则存在一组函数 {hii=1,,m}\left\{h_i\mid i=1,\dots,m\right\} 满足

  1. hi:RnRh_i:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} 为非负光滑函数.
  2. 存在 αA\alpha\in\mathcal A 使得 supphiSUα\operatorname{supp}h_i\cap S\subseteq U_\alpha
  3. i=1mhi(x)=1,xS\sum_{i=1}^m h_i(x)=1,\forall x\in S.

Rmk. 如果 supp(f)\operatorname{supp}(f) 不能被一个局部坐标系所包含, 根据单位分解, 我们可以定义 ffSS 上的第一型曲面积分
Sf ⁣dv=i=1mSfhi ⁣dv,\int_S f\operatorname{}\!\mathrm{d}v=\sum_{i=1}^m\int_S f\cdot h_i\operatorname{}\!\mathrm{d}v,

这一定义与之前的定义相容.

Rmk. 在实际计算中, 我们也常将曲面分解为若干曲面片进行计算.

Section X. 6. 微分形式

张量

Def.VVR\mathbb{R} 上的 nn 维向量空间, 称函数
f:V×V××VkRf:\underbrace{V\times V\times\cdots\times V}_k\to\mathbb{R}

kk 重线性的, 如果

  1. i=1,,ki=1,\dots,k, f(v1,,vi+wi,,vk)=f(v1,,vk)+f(v1,,wi,,vk)f(v_1,\dots,v_i+w_i,\dots,v_k)=f(v_1,\dots,v_k)+f(v_1,\dots,w_i,\dots, v_k).
  2. i=1,,ki=1,\dots,k, f(v1,,λvi,,vk)=λf(v1,,vk)f(v_1,\dots,\lambda v_i,\dots,v_k)=\lambda f(v_1,\dots,v_k).

VV 上所有 kk 重线性函数构成的线性空间为 Tk(V)\mathrm{T}^k(V), 其元素称为 VV 上的 kk 阶 (协变) 张量.

Def.fTk(V),gTl(V)f\in\mathrm{T}^k(V),g\in\mathrm{T}^l(V), 定义
(fg)(v1,,vk+l)=f(v1,,vk)g(vk+1,,vk+l)(f\otimes g)(v_1,\dots,v_{k+l})=f(v_1,\dots,v_k)g(v_{k+1},\dots,v_{k+l})

ffgg 的张量积, 其中 v1,,vk+lVv_1,\dots,v_{k+l}\in V.

Prop. 张量积有如下性质:

  1. (f1+f2)g=f1g+f2g(f_1+f_2)\otimes g=f_1\otimes g+f_2\otimes g.
  2. (λf)g=f(λg)=λfg(\lambda f)\otimes g=f\otimes(\lambda g)=\lambda f\otimes g.
  3. f(g1+g2)=fg1+fg2f\otimes(g_1+g_2)=f\otimes g_1+f\otimes g_2.
  4. fgh=f(gh)f\otimes g\otimes h=f\otimes(g\otimes h).

Prop.{ei}\left\{\mathbf{e}_i\right\}VV 的一组基, {ωi}\left\{\omega_i\right\}VV^* 中的对偶基, 则
{ωi1ωik1i1,,ikn}\left\{\omega_{i_1}\otimes\cdots\otimes\omega_{i_k}\mid 1\leq i_1,\dots,i_k\leq n\right\}

Tk(V)\mathrm{T}^k(V) 的一组基. 特别地, dimTk(V)=nk\dim \mathrm{T}^k(V)=n^k.

Def.nn 阶排列 πSn\pi\in\mathfrak S_n. 如果 π\pi 为偶置换, 定义 sgnπ=1\operatorname{sgn}\pi=1, 否则定义 sgnπ=1\operatorname{sgn}\pi=-1.

Def.

  1. kk 阶张量 ff, 若 σSk\forall\sigma\in\mathfrak S_k 都有
    f(vσ1,,vσk)=f(v1,,vk),f(v_{\sigma_1},\dots,v_{\sigma_k})=f(v_1,\dots,v_k),

    则称 ff 为对称张量.

  2. kk 阶张量 ff, 若 σSk\forall\sigma\in\mathfrak S_k 都有
    f(vσ1,,vσk)=sgnσf(v1,,vk),f(v_{\sigma_1},\dots,v_{\sigma_k})=\operatorname{sgn}\sigma\cdot f(v_1,\dots,v_k),

    则称 ff 为反称张量.

VV 上所有 kk 阶反称张量的全体为 Ak(V)\mathrm{A}^k(V).

外积

Def. 定义反称化算子 A:Tk(V)Ak(V),fAfA:\mathrm{T}^k(V)\to\mathrm{A}^k(V),f\mapsto Af, 其中
Af(v1,,vk)=1k!σSksgnσf(vσ1,,vσk)Af(v_1,\dots,v_k)={1\over k!}\sum_{\sigma\in\mathfrak S_k}\operatorname{sgn}\sigma\cdot f(v_{\sigma_1},\dots,v_{\sigma_k})

为对 ff 的反称化. 利用这一反称化算子我们可以定义反称张量之间的外乘积.

Def.fAk(V),gAl(V)f\in\mathrm{A}^k(V),g\in\mathrm{A}^l(V), 定义 ffgg 之间的外积 (exterior product, 或楔积, wedge product) 为
fg=(k+l)!k!l!A(fg).f\wedge g={(k+l)!\over k!l!}A(f\otimes g).

Note. 陈大广: 外积可以想象为 wedge 的音译.

Prop. 外积有如下性质:

  1. 由于 AA 为线性算子, 故外积继承张量积的性质.
  2. 特别地, 外积满足 fg=(1)klgff\wedge g=(-1)^{kl}g\wedge f.

Def.V,WV,Wm,nm,n 维向量空间, φL(V,W)\varphi\in\mathcal L(V,W). 定义拉回映射
φ:Tk(W)Tk(V),φ:Ak(W)Ak(V),φ(f)(v1,,vk)=f(φ(v1),,φ(vk)).\varphi^*:\mathrm{T}^k(W)\to\mathrm{T}^k(V),\quad\varphi^*:\mathrm{A}^k(W)\to\mathrm{A}^k(V),\\ \varphi^*(f)(v_1,\dots,v_k)=f(\varphi(v_1),\dots,\varphi(v_k)).

Prop. 拉回映射有如下性质:

  1. φ(fg)=φ(f)φ(g),fTk(V),gTl(V)\varphi^*(f\otimes g)=\varphi^*(f)\otimes\varphi^*(g),\quad\forall f\in\mathrm{T}^k(V),g\in\mathrm{T}^l(V).
  2. φ(fg)=φ(f)φ(g),fAk(V),gAl(V)\varphi^*(f\wedge g)=\varphi^*(f)\wedge\varphi^*(g),\quad\forall f\in\mathrm{A}^k(V),g\in\mathrm{A}^l(V).

Exm.V=RnV=\mathbb{R}^n, 则任取 vVv\in V, 可以定义 fT1(V)=Vf\in\mathrm{T}^1(V)=V^*:
f(ξ)=ξ,v,ξV,f(\xi)=\left\langle\xi,v\right\rangle,\quad\xi\in V,

从而可知 VVV\cong V^*. 这一同构关系常记作 f=vf=v^\flat (music isomorphism).

Exm. V=R2V=\mathbb{R}^2, 定义 fA2(V)f\in\mathrm{A}^2(V) 使得
f(ξ,η)=det(ξ,η),ξ,ηV.f(\xi,\eta)=\det(\xi,\eta),\quad\xi,\eta\in V.

Exm. V=R3V=\mathbb{R}^3, 则任取 vVv\in V, 可以定义 fA2(V)f\in\mathrm{A}^2(V) 使得
f(ξ,η)=det(v,ξ,η),ξ,ηV.f(\xi,\eta)=\det(v,\xi,\eta),\quad\xi,\eta\in V.

也可以定义 gA3(V)g\in\mathrm{A}^3(V) 使得
g(ξ,η,ζ)=det(ξ,η,ζ),ξ,η,ζV.g(\xi,\eta,\zeta)=\det(\xi,\eta,\zeta),\quad\forall\xi,\eta,\zeta\in V.

Prop.{e1,,en}\left\{\mathbf{e}_1,\dots,\mathbf{e}_n\right\}VV 的一组基, {ωi}\left\{\omega_i\right\}VV^* 中的对偶基. 则
{ωi1ωik1i1<<ikn}\left\{\omega_{i_1}\otimes\cdots\otimes\omega_{i_k}\mid 1\leq i_1<\dots<i_k\leq n\right\}

Ak(V)\mathrm{A}^k(V) 的一组基. 特别地, dimAk(V)=(nk)\dim\mathrm{A}^k(V)={n\choose k}.

Hint. 为证明这组基线性无关, 对
1i1<<iknαi1,,ik ωi1ωik=0,\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}\alpha_{i_1,\dots,i_k}~\omega_{i_1}\otimes\cdots\otimes\omega_{i_k}=0,

我们需要证明每个 αi1,,ik=0\alpha_{i_1,\dots,i_k}=0. 我们可以先证明
ωi1ωik=k!A(ωi1ωik),\omega_{i_1}\wedge\cdots\wedge\omega_{i_k}=k!A(\omega_{i_1}\otimes\cdots\otimes\omega_{i_k}),

从而可得求值公式
(ωi1ωik)(v1,,vk)=det(ωii(vj))    (ωi1ωik)(ej1,,ejk)=δi1,,ikj1,,jk,\boxed{(\omega_{i_1}\wedge\cdots\wedge\omega_{i_k})(v_1,\dots,v_k)=\det(\omega_{i_i}(v_j))}\\ \implies(\omega_{i_1}\wedge\cdots\wedge\omega_{i_k})(\mathbf{e}_{j_1},\dots,\mathbf{e}_{j_k})=\delta_{i_1,\dots,i_k}^{j_1,\dots,j_k},

其中
δi1,,ikj1,,jk:={1i1,,ik 互不相同, j1,,jk 为 i1,,ik 的偶置换1i1,,ik 互不相同, j1,,jk 为 i1,,ik 的奇置换0otherwise.\delta_{i_1,\dots,i_k}^{j_1,\dots,j_k}:=\begin{cases} 1 & {i_1,\dots,i_k}\text{ 互不相同, }j_1,\dots,j_k\text{ 为 }i_1,\dots,i_k\text{ 的偶置换}\\ -1 & {i_1,\dots,i_k}\text{ 互不相同, }j_1,\dots,j_k\text{ 为 }i_1,\dots,i_k\text{ 的奇置换}\\ 0 & \rm otherwise. \end{cases}

为广义 Kronecker 符号.

微分形式

Def.DRnD\subseteq\mathbb{R}^n 为区域, 称 ω\omegaDD 上的一个 kk 次微分形式 (或 kk-微分形式, kk-形式), 如果对 xD\forall x\in D, 有切空间 TxDRn\mathrm{T}_xD\cong\mathbb{R}^n 上的一个 kk 阶反称张量 ω(x)Ak(TxD)\omega(x)\in\mathrm{A}^k(\mathrm{T}_xD), 也即 ω\omega 为从 DDAk(Rn)\mathrm{A}^k(\mathbb{R}^n) 的映射.

Note. 在上下文明确时, 也可以用 ω(ξ1,,ξk)\omega(\xi_1,\dots,\xi_k) 来简记 ω(x)(ξ1,,ξk)\omega(\mathbf{x})(\xi_1,\dots,\xi_k).

Note. 对形如 ωxy\omega_x^y 的记号, 如无特殊说明, 则它代表了一个与 xx 有关的 yy-形式.

Exm.DRnD\subseteq\mathbb{R}^n 为区域. 任意给定 fC(D)f\in C^\infty(D), 则  ⁣df\operatorname{}\!\mathrm{d}fDD 上的一个 11-形式. 此时对 ξ=ξ1e1++ξnenTxD\xi=\xi^1\mathbf{e}_1+\cdots+\xi^n\mathbf{e}_n\in\mathrm{T}_xD, 有
 ⁣df(x)(ξ)=i=1nfxi(x)ξi.\operatorname{}\!\mathrm{d}f(\mathbf{x})(\xi)=\sum_{i=1}^n{\partial f\over\partial x^i}(\mathbf{x})\cdot\xi^i.

ff 为投影映射 xix^i 时,  ⁣dxi(x)(ξ)=ξi\operatorname{}\!\mathrm{d}x^i(\mathbf{x})(\xi)=\xi^i, 简记作  ⁣dxi(ξ)\operatorname{}\!\mathrm{d}x^i(\xi). 一般地, DD 上的一个 kk-形式 ω\omega 可以表示为
ω(x)=1i1<<iknai1,,ik(x) ⁣dxi1 ⁣dxik=1k!1i1,,iknai1,,ik(x) ⁣dxi1 ⁣dxik.\begin{align*} \omega(\mathbf{x})&=\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}a_{i_1,\dots,i_k}(\mathbf{x})\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_k}\\\tag{$\ast$} &={1\over k!}\sum_{1\leq i_1,\dots,i_k\leq n}a_{i_1,\dots,i_k}(\mathbf{x})\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_k}. \end{align*}

Def.

  1. 若每个 ai1,,ikCra_{i_1,\dots,i_k}\in C^r, 则称 ω\omegaCrC^r-光滑的微分形式.
  2. 若每个 ai1,,ikCa_{i_1,\dots,i_k}\in C^\infty, 则称 ω\omegaCC^\infty-光滑的微分形式.

DD 上所有 CrC^r-光滑的 kk-形式的全体构成的线性空间记为 Ωrk(D)\Omega_r^k(D). 简记 Ωk(D)=Ωk(D)\Omega^k(D)=\Omega_\infty^k(D).

Rmk. Ω0(D)=C(D)\Omega^0(D)=C^\infty(D).

Def. 定义外微分算子  ⁣d:Ωk(D)Ωk+1(D),k0\operatorname{}\!\mathrm{d}:\Omega^k(D)\to\Omega^{k+1}(D),k\geq 0,
 ⁣dω=i=1n1i1<<iknai1,,ikxi ⁣dxi ⁣dxi1 ⁣dxik=1i1<<ikn ⁣dai1,,ik ⁣dxi1 ⁣dxik\begin{align*} \operatorname{}\!\mathrm{d}\omega&=\sum_{i=1}^n\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}{\partial a_{i_1,\dots,i_k}\over\partial x^i}\operatorname{}\!\mathrm{d}x^i\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_k}\\ &=\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}\operatorname{}\!\mathrm{d}a_{i_1,\dots,i_k}\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_k} \end{align*}

其中 ωΩk(D)\omega\in\Omega^k(D), ai1,,ika_{i_1,\dots,i_k}()(\ast) 式中的系数.

Prop. 外微分算子有如下的性质:

  1. Leibniz 公式: 对 ωkΩk(D),ωlΩl(D)\omega^k\in\Omega^k(D),\omega^l\in\Omega^l(D), 有
     ⁣d(ωkωl)= ⁣dωkωl+(1)kωk ⁣dωl\operatorname{}\!\mathrm{d}(\omega^k\wedge\omega^l)=\operatorname{}\!\mathrm{d}\omega^k\wedge\omega^l+(-1)^k\omega^k\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}\omega^l\\

  2. fΩ0(D)f\in\Omega^0(D),  ⁣df\operatorname{}\!\mathrm{d}f 恰为 ff 的微分.

  3.  ⁣d2ω= ⁣d( ⁣dω)=0,ωΩk(D),k0\operatorname{}\!\mathrm{d}^2\omega=\operatorname{}\!\mathrm{d}(\operatorname{}\!\mathrm{d}\omega)=0,\forall\omega\in\Omega^k(D),k\geq 0.

第三条是因为
 ⁣d2ω=i=1nj=1n1i1<<ikn2ai1,,ikxixj ⁣dxi ⁣dxj ⁣dxi1 ⁣dxik,\operatorname{}\!\mathrm{d}^2\omega=\sum_{i=1}^n\sum_{j=1}^n\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq n}{\partial^2 a_{i_1,\dots,i_k}\over\partial x^i\partial x^j}\operatorname{}\!\mathrm{d}x^i\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^{i_k},

从而由外积的反称性 ( ⁣dxi ⁣dxj= ⁣dxj ⁣dxi)\operatorname{}\!\mathrm{d}x^i\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j=-\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}x^i) 以及 2axixj=2axjxi{\partial^2 a\over\partial x^i\partial x^j}={\partial^2 a\over\partial x^j\partial x^i} 即证.

光滑曲面上的微分形式

Def.DRn,GRmD\subseteq\mathbb{R}^n,G\subseteq\mathbb{R}^m 为区域, φ:DG\varphi:D\to GCC^\infty 映射. 对 xD\forall\mathbf{x}\in D 定义切映射
φ:TxDTφ(x)G,ξ ⁣dφ(x)(ξ).\varphi_*:\mathrm{T}_\mathbf{x} D\to\mathrm{T}_{\varphi(\mathbf{x})}G,\quad\xi\mapsto\operatorname{}\!\mathrm{d}\varphi(\mathbf{x})(\xi).

Rmk. 此时对一条过 xD\mathbf{x}\in D 的曲线 γ:(1,1)D,γ(0)=x\gamma:(-1,1)\to D,\gamma(0)=\mathbf{x}, 我们可以得到 GG 中的一条曲线 Γ=φγ\Gamma=\varphi\circ\gamma. 此时有 x\mathbf{x} 处的切向量 γ(0)\gamma'(0)y=φ(x)\mathbf{y}=\varphi(\mathbf{x}) 处的切向量
Γ(0)=((φiγ)(t)t)=(j=1myixjxjt)= ⁣dφ(x)(γ(0))=φ(γ(0)),\Gamma'(0)=\left(\partial(\varphi^i\circ\gamma)(t)\over\partial t\right)^\intercal=\left(\sum_{j=1}^m{\partial y^i\over\partial x^j}{\partial x^j\over\partial t}\right)^\intercal=\operatorname{}\!\mathrm{d}\varphi(\mathbf{x})(\gamma'(0))=\varphi_*(\gamma'(0)),

也即 φ\varphi_* 实际上可以理解为切向量之间的变换.

Rmk. 我们之前定义过对张量的拉回. 利用切映射我们也可以定义微分形式之间的拉回:
φ:Ωk(G)Ωk(D),φ(ω)(x)(v1,,vk)=ω(φ(x))(φ(v1),,φ(vk)).\varphi^*:\Omega^k(G)\to\Omega^k(D),\quad\varphi^*(\omega)(\mathbf{x})(v_1,\dots,v_k)=\omega(\varphi(\mathbf{x}))(\varphi_*(v_1),\dots,\varphi_*(v_k)).

对一个  ⁣dyiΩ1(G)\operatorname{}\!\mathrm{d}y^i\in\Omega^1(G), 有
φ( ⁣dyi)(x)(ξ)= ⁣dyi(y)(φ(ξ))= ⁣dyi(y)( ⁣dφ(x)(ξ))=j=1nyixj ⁣dxj(x)(ξ),\varphi^*(\operatorname{}\!\mathrm{d}y^i)(\mathbf{x})(\xi)=\operatorname{}\!\mathrm{d}y^i(\mathbf{y})(\varphi_*(\xi))=\operatorname{}\!\mathrm{d}y^i(\mathbf{y})(\operatorname{}\!\mathrm{d}\varphi(\mathbf{x})(\xi))=\sum_{j=1}^n{\partial y^i\over\partial x^j}\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j(\mathbf{x})(\xi),

从而实际上
φ( ⁣dyi)=j=1nyixj ⁣dxj(= ⁣dφ(yi)).\varphi^*(\operatorname{}\!\mathrm{d}y^i)=\sum_{j=1}^n{\partial y^i\over\partial x^j}\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j\left(=\operatorname{}\!\mathrm{d}\varphi^*(y^i)\right).

进一步对任意一个 ωΩk(G)\omega\in\Omega^k(G), 我们也有 φ( ⁣dω)= ⁣dφ(ω)\varphi^*(\operatorname{}\!\mathrm{d}\omega)=\operatorname{}\!\mathrm{d}\varphi^*(\omega). (见作业)

根据定义容易证明 φ(ω1ω2)=φω1φω2\varphi^*(\omega_1\wedge\omega_2)=\varphi^*\omega_1\wedge\varphi^*\omega_2 (见作业), 于是实际上对一个 kk-形式
ω=1i1<<ikmai1,,ik ⁣dyi1 ⁣dyik,\omega=\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq m}a_{i_1,\dots,i_k}\operatorname{}\!\mathrm{d}y^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}y^{i_k},

y=φ(x)\mathbf{y}=\varphi(\mathbf{x}), 我们有
φω=1i1<<ikmai1,,ik(j=1nφxji1 ⁣dxj)(j=1nφxjik ⁣dxj).\varphi^*\omega=\sum_{1\leq i_1<\cdots<i_k\leq m}a_{i_1,\dots,i_k}\left(\sum_{j=1}^n\varphi^{i_1}_{x^j}\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j\right)\wedge\cdots\wedge\left(\sum_{j=1}^n\varphi^{i_k}_{x^j}\operatorname{}\!\mathrm{d}x^j\right).

Def.SSRn\mathbb{R}^n 中的 kk 维光滑曲面, 称 ω\omegaSS 中的 pp 次微分形式, 如果 xS,ω(x)Ap(TxS)\forall x\in S,\omega(x)\in\mathrm{A}^p(\mathrm{T}_xS).

Rmk.xS\forall x\in Sxx 附近的一个局部坐标系 (U,φ)(U,\varphi), 此时可以将 ω\omega 拉回到 Rk\mathbb{R}^k 得到 φω\varphi^*\omega, 我们有 φω\varphi^*\omega 的一般形式
φω(t)=1i1<<ipkai1,,ip(t) ⁣dti1 ⁣dtip.()\varphi^*\omega(\mathbf{t})=\sum_{1\leq i_1<\dots<i_p\leq k}a_{i_1,\dots,i_p}(\mathbf{t})\operatorname{}\!\mathrm{d}t^{i_1}\wedge\cdots\wedge\operatorname{}\!\mathrm{d}t^{i_p}.\tag{$\ast$}

Def.ω\omegaSS 上的光滑微分形式, 如果 ()(\ast) 式中的每个 ai1,,ipa_{i_1,\dots,i_p} 均为光滑的. 记 SS 上的光滑 pp-形式的全体为 Ωp(S)\Omega^p(S). 容易验证光滑性的定义不依赖于坐标系的选取.

Exm.R2\mathbb{R}^2 上有微分形式 ω=(x ⁣dyy ⁣dx)\omega=(x\operatorname{}\!\mathrm{d}y-y\operatorname{}\!\mathrm{d}x). 在 S1S^1 的局部坐标系
(x,y)=φ(θ)=(cosθ,sinθ)(x,y)=\varphi(\theta)=(\cos\theta,\sin\theta)

下, 可以得到
φω(θ)=cosθ ⁣dsinθsinθ ⁣dcosθ= ⁣dθ.\varphi^*\omega(\theta)=\cos\theta\operatorname{}\!\mathrm{d}\sin\theta-\sin\theta\operatorname{}\!\mathrm{d}\cos\theta=\operatorname{}\!\mathrm{d}\theta.

Chapter X. Rn\mathbb{R}^n 中的曲面与微分形式 (子流形)

Section X. 1. Rn\mathbb{R}^n 中的曲面

Section X. 2. 曲面的定向

Section X. 3. 曲面的边界及其定向

Section X. 4. Rn\mathbb{R}^n 中曲面的面积

Section X. 6. 微分形式