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二階微分形式 📂幾何学

二階微分形式

概要

二項演算 \wedgeを定義し、1次微分形式を定義した感覚で、微分多様体 MMに対する2次形式を定義する。

微分多様体が難しいと感じるなら、M=RnM = \mathbb{R}^{n}と考えてもいい。

ビルドアップ1

1次形式 ω\omegaを考えてみよう。

ω:MTMpωp \begin{align*} \omega : M &\to T^{\ast}M \\ p &\mapsto \omega_{p} \end{align*}

これは、nn次元の微分多様体 MMの点 ppを、余接空間の要素 ωpTpM\omega_{p} \in T_{p}^{\ast}Mへマッピングする。すると、ωp\omega_{p}TpMT_{p}M双対空間の要素なので、以下のような汎関数である。

wp:TpMR w_{p} : T_{p}M \to \mathbb{R}

つまり、「1次」形式は点 ppを、ppにおける接ベクトル「1つ」を変数とする関数 ωp\omega_{p}へマッピングすると考えることができる。この感じで「2次」形式を定義することにする。

ウェッジ積

関数 φ:TpM×TpMR\varphi : T_{p}M \times T_{p}M \to \mathbb{R}双線形交代関数としよう。

φ(v1,v2)=φ(v2,v1),viTpM \varphi (v_{1}, v_{2}) = - \varphi (v_{2}, v_{1}),\quad v_{i} \in T_{p}M

このようなφ\varphiの集合をΛ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)と表記しよう。

Λ2(TpM):={φ:TpM×TpMR  φ is bilinear and alternate} \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M) := \left\{ \varphi : T_{p}M \times T_{p}M \to \mathbb{R}\ | \ \varphi \text{ is bilinear and alternate} \right\}

さて、TpMT_{p}^{\ast}Mの2つの要素をΛ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)へ送る二項演算 :TpM×TpMΛ2(TpM)\wedge : T_{p}^{\ast}M \times T_{p}^{\ast}M \to \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)を定義してみよう。これはΛ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)の要素をTpMT_{p}^{\ast}Mの要素で表現しようという意味だ。するとφ1,φ2TpM\varphi_{1}, \varphi_{2} \in T_{p}^{\ast}Mとした場合、Λ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)は交代関数の集合なので、次が成立しなければならない。(ちなみに記号 \wedge自体は[wedge]と読み、二項演算 \wedgeウェッジ積または外積と呼ばれる。TeXコードは\wedge

φ1φ2Λ2(TpM) \varphi_{1} \wedge \varphi_{2} \in \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)

(φ1φ2)(v1,v2)=(φ1φ2)(v2,v1),viTpM (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2}) (v_{1}, v_{2}) = - (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2}) (v_{2}, v_{1}),\quad v_{i} \in T_{p}M

\wedgeを以下のように定義すると、上記の条件を正確に満たす。

(φ1φ2)(v1,v2):=det[ϕi(vj)] (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, v_{2}) := \det \left[ \phi_{i}(v_{j}) \right]

この時、iiは行のインデックスを、jjは列のインデックスを意味する。もちろんウェッジ積\wedge自体も交代関数になる

交代性

(φ1φ2)(v1,v2)= det[φi(vj)]= φ1(v1)φ1(v2)φ2(v1)φ2(v2)= φ1(v2)φ1(v1)φ2(v2)φ2(v1)by property of determinant= (φ1φ2)(v2,v1) \begin{align*} (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, v_{2}) =&\ \det \left[ \varphi_{i}(v_{j}) \right] \\ =&\ \begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{1}) & \varphi_{1}(v_{2}) \\ \varphi_{2}(v_{1}) & \varphi_{2}(v_{2}) \end{vmatrix} \\ =&\ - \begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(v_{1}) \\ \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(v_{1}) \end{vmatrix} & \text{by property of determinant} \\ =&\ - (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{2}, v_{1}) \end{align*}

線形性

for aR\text{for } a\in \mathbb{R},

(φ1φ2)(av1+v2,w)= φ1(av1+v2)φ1(w)φ2(av1+v2)φ2(w)= aφ1(v1)+φ1(v2)φ1(w)aφ2(v1)+φ2(v2)φ2(w)by linearity of φi= aφ1(v1)φ1(w)aφ2(v1)φ2(w)+φ1(v2)φ1(w)φ2(v2)φ2(w)by property of determinant= aφ1(v1)φ1(w)φ2(v1)φ2(w)+φ1(v2)φ1(w)φ2(v2)φ2(w)by property of determinant= a(φ1φ2)(v1,w)+(φ1φ2)(v2,w) \begin{align*} & (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(av_{1} + v_{2}, w) \\[1em] =&\ \begin{vmatrix} \varphi_{1}(av_{1}+v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(av_{1}+v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} \\[1em] =&\ \begin{vmatrix} a\varphi_{1}(v_{1}) + \varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ a\varphi_{2}(v_{1}) + \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} & \text{by linearity of } \varphi_{i} \\[1em] =&\ \begin{vmatrix} a\varphi_{1}(v_{1}) & \varphi_{1}(w) \\ a\varphi_{2}(v_{1}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} + \begin{vmatrix}\varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} & \text{by property of determinant} \\[1em] =&\ a\begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{1}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(v_{1}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} \varphi_{1}(v_{2}) & \varphi_{1}(w) \\ \varphi_{2}(v_{2}) & \varphi_{2}(w) \end{vmatrix} & \text{by property of determinant} \\[1em] =&\ a(\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{1}, w) + (\varphi_{1} \wedge \varphi_{2})(v_{2}, w) \end{align*}

基底

これで、TpMT_{p}^{\ast}Mの基底 {(dxj)p}j\left\{ (dx_{j})_{p} \right\}_{j}たちのウェッジ積を考えてみよう。すぐに察しがつくかもしれないが、これらがΛ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)の基底になることが予想できるだろう。便宜上、以下のように表記しよう。

(dxidxj)p=notation(dxi)p(dxj)pΛ2(TpM) (dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} \overset{\text{notation}}{=} (dx_{i})_{p} \wedge (dx_{j})_{p} \in \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)

すると、{(dxidxj)p:i<j}\left\{ (dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} : i \lt j \right\}は実際にΛ2(TpM)\Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)基底になり、次が成立する。

(dxidxj)p=(dxjdxi)p,ij(dxidxi)p=0 (dx_{i} \wedge dx_{j})_{p} = - (dx_{j} \wedge dx_{i})_{p},\quad i \ne j \\[1em] (dx_{i} \wedge dx_{i})_{p} = 0

これで2次形式を定義する準備ができた。

定義

pMp \in Mを次のようにマッピングする関数 ω:MΛ2(TpM)\omega : M \to \Lambda^{2} (T_{p}^{\ast}M)MMでの2次形式exterior form of degree 2と定義する。

ω(p)=a12(p)(dx1dx2)p+a13(p)(dx1dx3)p+a23(p)(dx2dx3)p \omega (p) = a_{12}(p)(dx_{1} \wedge dx_{2})_{p} + a_{13}(p)(dx_{1} \wedge dx_{3})_{p} + a_{23}(p)(dx_{2} \wedge dx_{3})_{p}

ω\omegaは単に以下のように表記する。

ω= a12dx1dx2+a13dx1dx3+a23dx2dx3= aijdxidxj(i<j)by Einstein notation \begin{align*} \omega =&\ a_{12}dx_{1} \wedge dx_{2} + a_{13}dx_{1} \wedge dx_{3} + a_{23}dx_{2} \wedge dx_{3} \\ =&\ a_{ij}dx_{i}\wedge dx_{j} (i \lt j) & \text{by Einstein notation} \end{align*}

この時、aij:MRa_{ij} : M \to \mathbb{R}である。各aija_{ij}微分可能であれば、ω\omega2次微分形式differential form of degree 2と呼ぶ。

参考


  1. Manfredo P. Do Carmo, Differential Forms and Applications, p2 ↩︎