22-10-2023
Дифференциа́льная фо́рма порядка или -форма — кососимметрическое тензорное поле типа на касательном расслоении многообразия.
Дифференциальные формы были введены Эли Картаном в начале XX века.
Формализм дифференциальных форм оказывается удобен во многих разделах теоретической физики и математики, в частности, в теоретической механике, симплектической геометрии, квантовой теории поля.
Пространство -форм на многообразии обычно обозначают .
Содержание |
В дифференциальной геометрии, дифференциальная форма степени — это гладкое сечение -ой внешней степени кокасательного расслоения многообразия.
-формой на будем называть выражение следующего вида
где — гладкие функции, — дифференциал -ой координаты (функция от вектора, возвращающая его координату с номером ), а — внешнее произведение. При смене координат это представление меняет форму.
На гладком многообразии, k-формы могут быть определены как формы на картах, которые согласованы на склейках (для точного определения согласованности см. многообразие).
Через дифференциальные формы возможно представить основные операторы в векторном анализе Пусть — канонический изоморфизм между касательным и кокасательным пространствами, и — канонический изоморфизм между 2-формами и векторными полями на . Благодаря этому можно определить дифференциальные операции с векторными полями на . Тогда ротор и дивергенцию для полей на можно представить как
Максвелловская электродинамика весьма изящно формулируется на языке дифференциальных форм. Рассмотрим 2-форму Фарадея, соответствующую тензору электромагнитного поля:
Эта форма является формой кривизны тривиального главного расслоения со структурной группой U(1), с помощью которого могут быть описаны классическая электродинамика и калибровочная теория. 3-форма тока имеет вид
В этих обозначениях уравнения Максвелла могут быть очень компактно записаны как
где — оператор звезды Ходжа. Подобным образом может быть описана геометрия общей калибровочной теории.
2-форма также называется 2-формой Максвелла.
С помощью дифференциальных форм можно сформулировать гамильтонову механику чисто геометрически. Рассмотрим симплектическое многообразие с заданными на нём симплектической формой и функцией , называемой функцией Гамильтона. задаёт в каждой точке изоморфизм кокасательного и касательного пространств по правилу
где — дифференциал функции . Векторное поле на многообразии называется гамильтоновым полем, а соответствующий ему фазовый поток — гамильтоновым потоком. Гамильтонов фазовый поток сохраняет симплектическую форму, а следовательно, сохраняет и любую её внешнюю степень. Отсюда следует теорема Лиувилля. Скобка Пуассона функций и на определяется по правилу
Помимо вещественно- и комплекснозначных форм, часто также рассматриваются дифференциальные формы со значениями в векторных расслоениях. В этом случае в каждой точке задается полилинейная антисимметричная функция от векторов из касательного расслоения, возвращающая вектор из слоя над этой точкой. Формально внешние k-формы на со значениями в векторном расслоении определяются как сечения тензорного произведения расслоений
Частный случай векторнозначных дифференциальных форм — тангенциальнозначные формы, в определении которых в качестве векторного расслоения берётся касательное расслоение .
Дифференциальная форма.