外 微 分
尹 小 玲
以下仅在三维空间中讨论。
一、微分的外积运算
微分的外积定义:对三维空间中自变量的微分
,
,
,其外积运算用
表示,如
与
的外积记为
,它们满足以下运算法则:
(1)
,(
是实数);
(2)外积运算对加法有分配律,如
;
(3)反交换律,即任何两个微分的外积交换次序后变号,如
;
(4)任意一个微分与自身的外积等于0,如
;
(5)结合律,
;
把微分的外积运算与向量的外积运算
相比较,上述运算法则(1)~(4)是完全类似的。而
在几何上是以
为边的平行四边形的面积,对应于
二、外微分式及其外微分式的外积运算
设
都是三维空间的函数,则分别称(1)~(4)式为零阶、一阶、二阶和三阶外微分式
例
阶外微分式与
阶外微分式的外积是
阶外微分式,当
时,外积为0。
证 两个一阶外微分式的外积
一阶外微分式与二阶外微分式的外积
其余显然成立。
三、多变量积分中的积分微元代换公式
利用外积运算,可以推导多变量积分变量代换公式中,微元的代换公式。
(1)二重积分中极坐标变换下的面积微元
在极坐标变换
,
下,有公式
其中,面积微元有关系式
自然它不是通过
的普通乘积得到的,但它可以用
的外积运算得到:
故
(2)二重积分一般变量代换中的面积微元
在变换
,
下,有公式
其中,面积微元有关系式:
同样,它符合
的外微分运算。事实上,
故
(3)三重积分变量代换中的体积微元
完全类似二重积分情形,(略)。
(4)第二型曲面积分计算公式
设曲面方程为
,
,
则有公式
其中符号
视
的方向而定。注意到这里
都是有向的,而等式右边的
是无向的,利用二重积分变量代换中已证得的面积微元关系,有
取绝对值后,立即得到上述公式。
(5)第一型曲面积分中的面积微元
设曲面
的方程为
,
,则有
其中
,
,
。
因为
而
分别是
在三坐标面上的投影,则
特别,若曲面方程为
,
,则
故
四、各阶外微分式的外微分运算
在三维空间中,对于系数是可微函数的各阶外微分式(1)~(4),定义其外微分:
注1
对基本外微分式的外微分,规定
在这个规定下,外微分算子
的作用类似与普通微分算子,即对每一项进行运算,在每一项中又分别对每个因子进行运算,其余因子不动。所不同的是外微分算子在运算后进行外积运算,而普通微分算子在运算后进行普通乘积。例如
注2 零阶外微分式的外微分就是普通的微分。
性质:
阶外微分式的外微分是
阶外微分式,三阶外微分式的外微分等于0,且它们与场论中的三度(梯度,旋度,散度)有如下联系:
(1)
(2)
(3)
证 (1)显然成立。
(2)
(3)
五、牛顿-莱布尼兹公式,斯托克斯公式,格林公式,高斯公式的统一描述
(1) 牛顿-莱布尼兹公式
其中
是
在
上的一个原函数。
若记
,则
,则牛顿-莱布尼兹公式可写为
(2) 斯托克斯公式
或
其中
是以分段光滑曲线
为边界的光滑曲面,
与
的方向遵从右手法则。
在这个公式中,由于
与
都是有向的,故
是有向长度微元,
是有向面积微元,若记
,则
故斯托克斯公式可写为
格林公式作为斯托克斯公式的特殊情形,自然也具有上述形式。
(3) 高斯公式
或
其中空间闭区域
以分片光滑曲面
为边界,曲面
取外侧。
在这个公式中,由于
是有向的,故
也可看作有向的。若记
则
故高斯公式可写为
综合上述,可以将上述各公式统一为
其中,
是
维区域,而
是
的边界(因而是
维的),
是
阶外微分(因而
是
阶外微分)。
六、庞加莱(Poincare)引理及其逆
性质1 (庞加莱(Poincare)引理)设
是三维空间中任意外微分式,其系数有二阶连续偏导数,则
证 因为
,
(1)
是零阶外微分式
(2)
是一阶外微分式
(3)
是二阶外微分式,则
是三阶外微分式,从而
。
(4)
是三阶外微分式,则,故
。
性质2 (庞加莱引理之逆)设
是三维空间中的
阶外微分式,其系数有一阶连续偏导数,且
,则存在一个
阶外微分式,使得
。
证 (1)设
是一阶外微分式
故
因为
是无旋场
是梯度场
于是
(2)设
是二阶外微分式
,且
故
因为
是无源场
是管量场
记
,则
是一阶外微分式,且
(3)设
是三阶外微分式
,且
令
, 则
。
从证明过程可见,庞加莱引理中
,当
是零阶外微分式时,等价于场论中的
;而当
是一阶外微分式时,等价于场论中的
。
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