§E17.11外微分と不変表示

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微分形式の全体には、次数を一つ上げる微分作用素がただ一つ存在する。本記事はそれを四つの条件によって特徴づけ、存在と一意性を証明する。

四つの条件とは、R\mathbb{R}線形であること、00次形式に対しては関数の微分を与えること、外積について次数付き Leibniz 則を満たすこと、および二回合成すると消えることである。この四条件は作用素を一意に定めるので、局所座標で書き下した式が座標のとり方に依らないことは、別に確かめるまでもなく一意性から従う。

そのうえで、外微分がベクトル場によってどう表されるかを調べる。11形式については

dω(X,Y)=X(ω(Y))−Y(ω(X))−ω([X,Y])d\omega(X,Y)=X(\omega(Y))-Y(\omega(X))-\omega([X,Y])

が成り立つ。右辺の第三項は、二つのベクトル場が交換しない度合いを測る括弧積である。この表示を一般の次数へ拡張し、最後に閉形式と完全形式を定義する。

以下、MMを境界を持たないnn次元C∞C^\infty多様体とする(§E17.1 定義 2.2)。Ωk(M)\Omega^k(M)はkk次微分形式の全体(§E17.10 定義 2.1)、X(M)\mathfrak{X}(M)はC∞C^\inftyベクトル場の全体を表す。ベクトル場をC∞(M)C^\infty(M)上の導分として作用させる書き方は§E17.4 定理 5.3による。

1 関数の微分

命題 1.1.f∈C∞(M)f\in C^\infty(M)に対し、p∈Mp\in Mとv∈TpMv\in T_pMについて

(df)p(v)=v(f)(df)_p(v)=v(f)

と定めるとdf∈Ω1(M)df\in\Omega^1(M)である。チャート(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))の上では

df=∑i=1n∂f∂xi dxidf=\sum_{i=1}^{n}\frac{\partial f}{\partial x^i}\,dx^i

である。またf,g∈C∞(M)f,g\in C^\infty(M)に対してd(fg)=f dg+g dfd(fg)=f\,dg+g\,dfが成り立つ。

証明. 接ベクトルはC∞(M)C^\infty(M)上の導分であるからv↦v(f)v\mapsto v(f)は線形であり、(df)p∈Tp∗M(df)_p\in T^*_pMである。チャート上での成分は(df)p(∂/∂xi∣p)=(∂f/∂xi)(p)(df)_p(\partial/\partial x^i|_p)=(\partial f/\partial x^i)(p)であり(§E17.3 定理 3.3)、これはUU上のC∞C^\infty関数である。§E17.10 命題 4.1によりこの値が11形式としての成分に一致し、§E17.10 命題 2.2によりdfdfはC∞C^\infty切断である。座標表示も同じ成分の計算から従う。

積については、導分の性質からv(fg)=f(p) v(g)+g(p) v(f)v(fg)=f(p)\,v(g)+g(p)\,v(f)である。両辺をppとvvについて読み替えるとd(fg)=f dg+g dfd(fg)=f\,dg+g\,dfを得る。▨

チャート(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))の座標関数xix^iはUU上のC∞C^\infty関数であり、その微分は命題 1.1によりdxidx^iに一致する。すなわち、余接空間の双対基底として導入した記号dxidx^iと、座標関数の微分としての記号は同じ対象を表す。

2 外微分の特徴づけ

定義 2.1.MM上の外微分 (exterior derivative) とは、非負整数kkごとに与えられた写像の族

d:Ωk(M)⟶Ωk+1(M)d:\Omega^k(M)\longrightarrow\Omega^{k+1}(M)

であって、次の四条件を満たすもののことをいう。

  1. 各kkについてddはR\mathbb{R}線形である。
  2. f∈Ω0(M)=C∞(M)f\in\Omega^0(M)=C^\infty(M)に対し、dfdfは命題 1.1の意味でのffの微分である。
  3. α∈Ωk(M)\alpha\in\Omega^k(M)、β∈Ωl(M)\beta\in\Omega^l(M)に対して次数付き Leibniz 則 d(α∧β)=dα∧β+(−1)k α∧dβd(\alpha\wedge\beta)=d\alpha\wedge\beta+(-1)^{k}\,\alpha\wedge d\beta が成り立つ。
  4. すべてのω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)に対してd(dω)=0d(d\omega)=0である。

条件 (c)の符号は外積の規約に合わせて定めている。本単元は§E17.10 定義 3.1の行列式の規約を用いる。

補題 2.2.ddを定義 2.1 条件 (a)から 3 までを満たす族とする。

  1. (局所性)ω,η∈Ωk(M)\omega,\eta\in\Omega^k(M)が開集合UUの上で一致するならば、dωd\omegaとdηd\etaはUUの上で一致する。
  2. (制限)U⊆MU\subseteq Mを開集合とする。ω∈Ωk(U)\omega\in\Omega^k(U)とp∈Up\in Uに対し、ppのある近傍の上で11に等しく台がUUに含まれるコンパクト集合であるC∞C^\infty関数χ\chiを取り、χω\chi\omegaをUUの外へ00で延ばしてΩk(M)\Omega^k(M)の元と見て (dUω)p:=(d(χω))p(d_U\omega)_p:=\bigl(d(\chi\omega)\bigr)_p と定めると、この値はχ\chiのとり方に依らない。こうして定まる族dU:Ωk(U)→Ωk+1(U)d_U:\Omega^k(U)\to\Omega^{k+1}(U)はUUの上で定義 2.1 条件 (a)から 3 までを満たし、ω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)に対してdU(ω∣U)=(dω)∣Ud_U(\omega|_U)=(d\omega)|_Uを満たす。さらにddが定義 2.1 条件 (d)を満たすならばdUd_Uも定義 2.1 条件 (d)を満たす。

証明.(1)を示す。定義 2.1 条件 (a)によりω−η\omega-\etaを考えればよいので、ω∣U=0\omega|_U=0のとき(dω)∣U=0(d\omega)|_U=0を示す。p∈Up\in Uを取る。§E17.2 命題 1.5により、C∞C^\infty関数χ:M→[0,1]\chi:M\to[0,1]であって、ppのある開近傍W⊆UW\subseteq Uの上でχ≡1\chi\equiv1であり、supp⁡χ\operatorname{supp}\chiがコンパクトでsupp⁡χ⊆U\operatorname{supp}\chi\subseteq Uを満たすものが存在する。

M=U∪(M∖supp⁡χ)M=U\cup(M\setminus\operatorname{supp}\chi)であり、UUの上ではω=0\omega=0、M∖supp⁡χM\setminus\operatorname{supp}\chiの上ではχ=0\chi=0であるから、MMの全体でχω=0\chi\omega=0である。χ\chiは00次形式であるからχ∧ω=χω\chi\wedge\omega=\chi\omegaであり、定義 2.1 条件 (c)をk=0k=0として適用すると

0=d(χω)=dχ∧ω+χ dω0=d(\chi\omega)=d\chi\wedge\omega+\chi\,d\omega

を得る。ppで評価する。v∈TpMv\in T_pMに対し(dχ)p(v)=v(χ)(d\chi)_p(v)=v(\chi)であり、χ\chiはWWの上で定数関数11に等しいので§E17.3 補題 1.3によりv(χ)=v(1)v(\chi)=v(1)である。導分の性質からv(1)=v(1⋅1)=2v(1)v(1)=v(1\cdot1)=2v(1)、すなわちv(1)=0v(1)=0である。よって(dχ)p=0(d\chi)_p=0である。χ(p)=1\chi(p)=1であるから、上の等式は(dω)p=0(d\omega)_p=0を与える。p∈Up\in Uは任意であったから(dω)∣U=0(d\omega)|_U=0である。

(2)を示す。χ1,χ2\chi_1,\chi_2をともに条件を満たす関数とすると、χ1ω\chi_1\omegaとχ2ω\chi_2\omegaはppのある近傍の上でω\omegaに一致するので互いに一致し、(1)により(d(χ1ω))p=(d(χ2ω))p(d(\chi_1\omega))_p=(d(\chi_2\omega))_pである。よって(dUω)p(d_U\omega)_pはχ\chiに依らない。ppの近傍WW(そこでχ≡1\chi\equiv1)の上ではdUω=d(χω)∣Wd_U\omega=d(\chi\omega)|_WであるからdUωd_U\omegaはC∞C^\infty切断である。

ω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)のとき、χ (ω∣U)\chi\,(\omega|_U)を00拡張したものはWWの上でω\omegaに一致するので、(1)により(dU(ω∣U))p=(dω)p(d_U(\omega|_U))_p=(d\omega)_pである。

定義 2.1 条件 (a)は各点の定義式がω\omegaについて線形であることから従う。定義 2.1 条件 (b)は、f∈C∞(U)f\in C^\infty(U)とv∈TpMv\in T_pMに対しχf\chi fがWWの上でffに一致することと§E17.3 補題 1.3から(d(χf))p(v)=v(χf)=v(f)(d(\chi f))_p(v)=v(\chi f)=v(f)となることによる。

定義 2.1 条件 (c)を見る。α∈Ωk(U)\alpha\in\Omega^k(U)、β∈Ωl(U)\beta\in\Omega^l(U)、p∈Up\in Uとし、χ\chiを上のように取る。(χα)∧(χβ)=χ2(α∧β)(\chi\alpha)\wedge(\chi\beta)=\chi^2(\alpha\wedge\beta)とχ(α∧β)\chi(\alpha\wedge\beta)はともにWWの上でα∧β\alpha\wedge\betaに一致するので、(1)により

(dU(α∧β))p=(d((χα)∧(χβ)))p=(d(χα)∧(χβ)+(−1)k(χα)∧d(χβ))p\bigl(d_U(\alpha\wedge\beta)\bigr)_p=\Bigl(d\bigl((\chi\alpha)\wedge(\chi\beta)\bigr)\Bigr)_p =\Bigl(d(\chi\alpha)\wedge(\chi\beta)+(-1)^k(\chi\alpha)\wedge d(\chi\beta)\Bigr)_p

である。χ(p)=1\chi(p)=1であるから、右辺は(dUα)p∧βp+(−1)kαp∧(dUβ)p(d_U\alpha)_p\wedge\beta_p+(-1)^k\alpha_p\wedge(d_U\beta)_pに等しい。

定義 2.1 条件 (d)を見る。ω∈Ωk(U)\omega\in\Omega^k(U)とp∈Up\in Uに対し、χ\chiを上のように取る(ppの開近傍WWの上でχ≡1\chi\equiv1、supp⁡χ\operatorname{supp}\chiはコンパクトでUUに含まれる)。さらに§E17.2 命題 1.5により、ppのある開近傍W′⊆WW'\subseteq Wの上で11に等しく、台がコンパクトでWWに含まれるC∞C^\infty関数χ′\chi'を取る。WWの上ではdUω=d(χω)∣Wd_U\omega=d(\chi\omega)|_Wであるから、χ′ dUω\chi'\,d_U\omegaを00拡張したものはW′W'の上でd(χω)d(\chi\omega)に一致する。よって 1 により

(dU(dUω))p=(d(χ′ dUω))p=(d(d(χω)))p=0\bigl(d_U(d_U\omega)\bigr)_p=\bigl(d(\chi'\,d_U\omega)\bigr)_p=\bigl(d(d(\chi\omega))\bigr)_p=0

である。▨

補題 2.3.(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))をMMのチャートとする。UUの任意の開集合WWとω∈Ωk(W)\omega\in\Omega^k(W)に対し、ω=∑IωI dxI\omega=\sum_{I}\omega_I\,dx^I(IIは増加添字にわたる)を§E17.10 命題 4.1の座標表示として

Dω=∑IdωI∧dxID\omega=\sum_{I}d\omega_I\wedge dx^{I}

と定める。この族D:Ωk(W)→Ωk+1(W)D:\Omega^k(W)\to\Omega^{k+1}(W)は定義 2.1の四条件をWWの上で満たす。

証明. まず、増加とは限らない添字の列K=(k1,…,km)K=(k_1,\dots,k_m)とf∈C∞(W)f\in C^\infty(W)に対して

D(f dxK)=df∧dxK,dxK=dxk1∧⋯∧dxkmD(f\,dx^{K})=df\wedge dx^{K},\qquad dx^K=dx^{k_1}\wedge\cdots\wedge dx^{k_m}

が成り立つことを確かめる。KKに重複があれば§E17.10 系 3.6によりdxK=0dx^K=0であり、両辺は00である。重複がなければ、KKを昇順に並べ替える置換π\piを取るとdxK=sgn⁡(π) dxK′dx^K=\operatorname{sgn}(\pi)\,dx^{K'}(K′K'は増加添字)であり、両辺がともにsgn⁡(π)\operatorname{sgn}(\pi)倍で対応するので、KKが増加添字の場合に帰着する。その場合はDDの定義そのものである。

定義 2.1 条件 (a)は、座標表示の成分がω\omegaについて線形であり、ddが関数について線形であることから従う。定義 2.1 条件 (b)は、k=0k=0のとき増加添字が空列だけでありdx∅=1dx^{\varnothing}=1となるので、Df=dfDf=dfとなることによる。

定義 2.1 条件 (c)を示す。双線形性からα=a dxI\alpha=a\,dx^I、β=b dxJ\beta=b\,dx^J(II、JJは増加添字、∣I∣=k|I|=k、∣J∣=l|J|=l、a,b∈C∞(W)a,b\in C^\infty(W))の場合に帰着する。α∧β=ab dxI∧dxJ\alpha\wedge\beta=ab\,dx^I\wedge dx^Jであり、dxI∧dxJ=dx(I,J)dx^I\wedge dx^J=dx^{(I,J)}(IIとJJを連ねた添字列)であるから、上で確かめた式と命題 1.1の積の規則により

D(α∧β)=d(ab)∧dxI∧dxJ=(b da+a db)∧dxI∧dxJD(\alpha\wedge\beta)=d(ab)\wedge dx^I\wedge dx^J =(b\,da+a\,db)\wedge dx^I\wedge dx^J

である。一方

Dα∧β=(da∧dxI)∧(b dxJ)=b da∧dxI∧dxJD\alpha\wedge\beta=(da\wedge dx^I)\wedge(b\,dx^J)=b\,da\wedge dx^I\wedge dx^J

であり、dbdbは11形式、dxIdx^Iはkk次形式であるから§E17.10 定理 3.5によりdxI∧db=(−1)kdb∧dxIdx^I\wedge db=(-1)^{k}db\wedge dx^Iであり、

(−1)kα∧Dβ=(−1)ka dxI∧db∧dxJ=(−1)k(−1)ka db∧dxI∧dxJ=a db∧dxI∧dxJ(-1)^k\alpha\wedge D\beta=(-1)^k a\,dx^I\wedge db\wedge dx^J =(-1)^k(-1)^{k}a\,db\wedge dx^I\wedge dx^J=a\,db\wedge dx^I\wedge dx^J

である。二つの和はD(α∧β)D(\alpha\wedge\beta)に等しい。

定義 2.1 条件 (d)を示す。ω=∑IωI dxI\omega=\sum_I\omega_I\,dx^Iに対し、命題 1.1により

Dω=∑I∑j=1n∂ωI∂xj dxj∧dxID\omega=\sum_{I}\sum_{j=1}^{n}\frac{\partial\omega_I}{\partial x^j}\,dx^j\wedge dx^I

である。ふたたびDDを適用すると、上で確かめた式により

D(Dω)=∑I∑j=1n∑i=1n∂2ωI∂xi ∂xj dxi∧dxj∧dxID(D\omega)=\sum_{I}\sum_{j=1}^{n}\sum_{i=1}^{n}\frac{\partial^2\omega_I}{\partial x^i\,\partial x^j}\,dx^i\wedge dx^j\wedge dx^I

である。ωI\omega_IはC∞C^\inftyであるから§E4.4 定理 2.1により∂2ωI/∂xi∂xj\partial^2\omega_I/\partial x^i\partial x^jはiiとjjの入れ替えで不変であり、§E17.10 系 3.6によりdxi∧dxj=−dxj∧dxidx^i\wedge dx^j=-dx^j\wedge dx^iである。したがって添字の対(i,j)(i,j)と(j,i)(j,i)に対応する項が相殺し、i=ji=jの項はdxi∧dxi=0dx^i\wedge dx^i=0から消える。よってD(Dω)=0D(D\omega)=0である。▨

定理 2.4.MM上の外微分、すなわち定義 2.1の四条件を満たす族ddがただ一つ存在する。チャート(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))の上では

(dω)∣U=∑1≤i1<⋯<ik≤ndωi1⋯ik∧dxi1∧⋯∧dxik(d\omega)|_U=\sum_{1\le i_1<\cdots<i_k\le n}d\omega_{i_1\cdots i_k}\wedge dx^{i_1}\wedge\cdots\wedge dx^{i_k}

である。とくにこの表示は、それがチャートに依らない対象を定めることを別に確かめる必要がなく、一意性から座標のとり方に依らない。

証明. 一意性。ddとd′d'をともに四条件を満たす族とする。補題 2.2により、どちらもチャートの定義域UUの上の族dUd_U、dU′d'_Uを誘導し、(dω)∣U=dU(ω∣U)(d\omega)|_U=d_U(\omega|_U)を満たす。したがってdU=dU′d_U=d'_Uをすべてのチャートについて示せば足りる。

ω∈Ωk(U)\omega\in\Omega^k(U)を取り、ω=∑IωI dxI\omega=\sum_I\omega_I\,dx^Iと座標表示する。まず、増加添字I=(i1<⋯<ik)I=(i_1<\cdots<i_k)に対してdU(dxI)=0d_U(dx^I)=0をkkについての帰納法で示す。k=1k=1のときは、定義 2.1 条件 (b)によりdxi=dUxidx^{i}=d_U x^{i}であるから、定義 2.1 条件 (d)によりdU(dxi)=dU(dUxi)=0d_U(dx^{i})=d_U(d_Ux^{i})=0である。k−1k-1で成り立つとすると、dxI=dxi1∧dxI′dx^I=dx^{i_1}\wedge dx^{I'}(I′=(i2<⋯<ik)I'=(i_2<\cdots<i_k))に定義 2.1 条件 (c)を適用して

dU(dxI)=dU(dxi1)∧dxI′−dxi1∧dU(dxI′)=0d_U(dx^I)=d_U(dx^{i_1})\wedge dx^{I'}-dx^{i_1}\wedge d_U(dx^{I'})=0

を得る。

つぎに定義 2.1 条件 (c)をα=ωI∈Ω0(U)\alpha=\omega_I\in\Omega^0(U)、β=dxI\beta=dx^Iとして適用すると

dU(ωI dxI)=dUωI∧dxI+ωI dU(dxI)=dωI∧dxId_U(\omega_I\,dx^I)=d_U\omega_I\wedge dx^I+\omega_I\,d_U(dx^I)=d\omega_I\wedge dx^I

である(第二の等号で定義 2.1 条件 (b)と上の結果を用いた)。定義 2.1 条件 (a)によりdUω=∑IdωI∧dxId_U\omega=\sum_Id\omega_I\wedge dx^Iである。右辺はdUd_Uの作り方に依らない式であるからdU=dU′d_U=d'_Uである。

存在。各チャート(U,φ)(U,\varphi)に対して補題 2.3の族DφD^{\varphi}を取る。二つのチャート(U,φ)(U,\varphi)、(V,ψ)(V,\psi)について、W=U∩V≠∅W=U\cap V\ne\varnothingとすると、DφD^{\varphi}とDψD^{\psi}はいずれもWWの上で四条件を満たす族を与える。WWはMMの開集合であるからそれ自身C∞C^\infty多様体であり(§E17.1 命題 7.1)、上の一意性の議論を多様体WWに適用すると、WWの上でDφ=DψD^{\varphi}=D^{\psi}である。

したがってω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)に対して(dω)∣U:=Dφ(ω∣U)(d\omega)|_U:=D^{\varphi}(\omega|_U)と定めると、この定め方はチャートの選び方に依らず、MM上の(k+1)(k+1)次形式dωd\omegaが定まる。四条件はいずれも各点の近傍だけで述べることができる条件であり、各チャートの上で補題 2.3により成り立つので、ddはMMの全体で四条件を満たす。▨

命題 2.5. すべての非負整数kkとω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)に対してd(dω)=0d(d\omega)=0である。

証明.定理 2.4が与える外微分は定義 2.1の定義 2.1 条件 (d)を満たす。局所座標でこの条件が成り立つ理由は、補題 2.3の証明で確かめたとおり、二階混合偏導関数の対称性(§E4.4 定理 2.1)が添字について対称であるのに対し、dxi∧dxjdx^i\wedge dx^jが反対称であることによる。▨

例 2.6 (三次元空間で外微分が勾配・回転・発散を与えること).R3\mathbb{R}^3の標準座標を(x,y,z)(x,y,z)とする。R3\mathbb{R}^3の標準内積と体積形式dx∧dy∧dzdx\wedge dy\wedge dzを用いると、ベクトル場F⃗=(F1,F2,F3)\vec F=(F_1,F_2,F_3)に対して次の二つの対応が定まる。

F⃗ ⟼ F1 dx+F2 dy+F3 dz(1 次形式),\vec F\ \longmapsto\ F_1\,dx+F_2\,dy+F_3\,dz\qquad(1\text{ 次形式}),F⃗ ⟼ F1 dy∧dz+F2 dz∧dx+F3 dx∧dy(2 次形式).\vec F\ \longmapsto\ F_1\,dy\wedge dz+F_2\,dz\wedge dx+F_3\,dx\wedge dy\qquad(2\text{ 次形式}).

関数ggには33次形式g dx∧dy∧dzg\,dx\wedge dy\wedge dzを対応させる。この三つの対応のもとで、外微分は勾配・回転・発散を与える。これら三つの演算の定義は「実解析 II」の§E4.17 定義 1.2による。回転を表す記号は同じ定義に合わせてcurl⁡\operatorname{curl}と書く。

00次形式ffについては命題 1.1により

df=∂f∂xdx+∂f∂ydy+∂f∂zdzdf=\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy+\frac{\partial f}{\partial z}dz

であり、これはgrad⁡f\operatorname{grad}fに対応する11形式である。

11形式ω=P dx+Q dy+R dz\omega=P\,dx+Q\,dy+R\,dzについては、定理 2.4の表示から

dω=(∂R∂y−∂Q∂z)dy∧dz+(∂P∂z−∂R∂x)dz∧dx+(∂Q∂x−∂P∂y)dx∧dyd\omega=\Bigl(\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z}\Bigr)dy\wedge dz +\Bigl(\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x}\Bigr)dz\wedge dx +\Bigl(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Bigr)dx\wedge dy

である。実際、d(P dx)=∂P∂ydy∧dx+∂P∂zdz∧dxd(P\,dx)=\frac{\partial P}{\partial y}dy\wedge dx+\frac{\partial P}{\partial z}dz\wedge dxなどを三項について書き、dy∧dx=−dx∧dydy\wedge dx=-dx\wedge dyなどで整理すると上の式になる。係数の組はcurl⁡(P,Q,R)\operatorname{curl}(P,Q,R)に一致する。

22形式η=F1 dy∧dz+F2 dz∧dx+F3 dx∧dy\eta=F_1\,dy\wedge dz+F_2\,dz\wedge dx+F_3\,dx\wedge dyについては

dη=(∂F1∂x+∂F2∂y+∂F3∂z)dx∧dy∧dzd\eta=\Bigl(\frac{\partial F_1}{\partial x}+\frac{\partial F_2}{\partial y}+\frac{\partial F_3}{\partial z}\Bigr)dx\wedge dy\wedge dz

である(dy∧dz∧dx=dz∧dx∧dy=dx∧dy∧dzdy\wedge dz\wedge dx=dz\wedge dx\wedge dy=dx\wedge dy\wedge dzを用いた)。係数はdiv⁡F⃗\operatorname{div}\vec Fである。

命題 2.5を00次形式と11次形式へ適用すると、curl⁡grad⁡=0\operatorname{curl}\operatorname{grad}=0とdiv⁡curl⁡=0\operatorname{div}\operatorname{curl}=0(§E4.17 定理 2.1)を得る。f=xyzf=xyzで確かめるとdf=yz dx+xz dy+xy dzdf=yz\,dx+xz\,dy+xy\,dzであり、d(df)d(df)のdx∧dydx\wedge dyの係数は∂x(xz)−∂y(yz)=z−z=0\partial_x(xz)-\partial_y(yz)=z-z=0である。他の二つの係数も同様に消える。

この対応はR3\mathbb{R}^3の標準内積と体積形式に依存する。ベクトル場から11次形式への対応は内積によって定まり、22次形式への対応は内積と体積形式の両方によって定まる。一般の多様体には内積も体積形式も付随していないので、計量を選ばなければこの対応を書くことができない。本単元は多様体に Riemann 計量を導入しないため、勾配・回転・発散を一般の多様体上の演算として扱わない。計量を導入したうえでの一般論は「Riemann 幾何 I」が扱う。上の対応をふたたび用いるのは「Stokes の定理」で三次元の古典的な積分定理へ降りる箇所だけである。

3 引き戻しとの可換性

命題 3.1.F:M→NF:M\to NをC∞C^\infty写像、ω∈Ωk(N)\omega\in\Omega^k(N)とする。このとき

F∗(dω)=d(F∗ω)F^*(d\omega)=d(F^*\omega)

が成り立つ。

証明. k=0k=0の場合。g∈C∞(N)g\in C^\infty(N)、p∈Mp\in M、v∈TpMv\in T_pMとする。F∗g=g∘FF^*g=g\circ Fであるから

(d(F∗g))p(v)=v(g∘F)=dFp(v)(g)=(dg)F(p)(dFp(v))=(F∗(dg))p(v)\bigl(d(F^*g)\bigr)_p(v)=v(g\circ F)=dF_p(v)(g)=(dg)_{F(p)}\bigl(dF_p(v)\bigr)=\bigl(F^*(dg)\bigr)_p(v)

である。第二の等号は微分dFpdF_pの定義(§E17.3 定理 5.3)、第三の等号は命題 1.1による。

一般の場合。両辺はppの近傍だけで決まる。実際、F∗F^*は各点で定まり(§E17.10 定義 5.1)、ddは局所的である(補題 2.2)。そこでF(p)F(p)の周りのチャート(V,ψ=(y1,…,ym))(V,\psi=(y^1,\dots,y^m))と、ppの周りのチャート(U,φ)(U,\varphi)でF(U)⊆VF(U)\subseteq Vを満たすものを取る(FFの連続性から取ることができる)。Fa=ya∘FF^a=y^a\circ Fと置く。

VVの上でω=∑AωA dya1∧⋯∧dyak\omega=\sum_A\omega_A\,dy^{a_1}\wedge\cdots\wedge dy^{a_k}(A=(a1<⋯<ak)A=(a_1<\cdots<a_k))と表す。§E17.10 命題 5.4と、いま示したk=0k=0の場合によるF∗(dya)=d(ya∘F)=dFaF^*(dy^a)=d(y^a\circ F)=dF^aから、UUの上で

F∗ω=∑A(ωA∘F)  dFa1∧⋯∧dFakF^*\omega=\sum_{A}(\omega_A\circ F)\;dF^{a_1}\wedge\cdots\wedge dF^{a_k}

である。この右辺へ外微分を施す。定義 2.1 条件 (c)と定義 2.1 条件 (d)から、定理 2.4の一意性の証明と同じ帰納法によりd(dFa1∧⋯∧dFak)=0d(dF^{a_1}\wedge\cdots\wedge dF^{a_k})=0である。実際、各FaF^{a}はUU上のC∞C^\infty関数であるからd(dFa)=0d(dF^{a})=0であり、定義 2.1 条件 (c)を繰り返し適用すると各項にd(dFar)d(dF^{a_r})が現れて消える。したがって

d(F∗ω)=∑Ad(ωA∘F)∧dFa1∧⋯∧dFakd(F^*\omega)=\sum_{A}d(\omega_A\circ F)\wedge dF^{a_1}\wedge\cdots\wedge dF^{a_k}

である。

一方dω=∑AdωA∧dya1∧⋯∧dyakd\omega=\sum_Ad\omega_A\wedge dy^{a_1}\wedge\cdots\wedge dy^{a_k}であるから、§E17.10 定理 5.3とk=0k=0の場合により

F∗(dω)=∑AF∗(dωA)∧F∗(dya1)∧⋯∧F∗(dyak)=∑Ad(ωA∘F)∧dFa1∧⋯∧dFakF^*(d\omega)=\sum_{A}F^*(d\omega_A)\wedge F^*(dy^{a_1})\wedge\cdots\wedge F^*(dy^{a_k}) =\sum_{A}d(\omega_A\circ F)\wedge dF^{a_1}\wedge\cdots\wedge dF^{a_k}

である。二つは一致する。ppは任意であったから、等式はMMの全体で成り立つ。▨

外微分の座標表示が座標のとり方に依らないことは、定理 2.4の一意性から従う。座標変換もまたC∞C^\infty写像であるから、命題 3.1を座標変換へ適用しても同じ結論が得られる。

例 3.2 (引き戻しとの可換性の検算).M={(u,v)∈R2:u>0}M=\{(u,v)\in\mathbb{R}^2:u>0\}、N=R2N=\mathbb{R}^2、F(u,v)=(ucos⁡v, usin⁡v)F(u,v)=(u\cos v,\ u\sin v)とし、ω=x dy∈Ω1(N)\omega=x\,dy\in\Omega^1(N)を取る。

まずdω=dx∧dyd\omega=dx\wedge dyである。§E17.10 例 5.5によりF∗(dx∧dy)=u du∧dvF^*(dx\wedge dy)=u\,du\wedge dvである。

つぎにF∗ωF^*\omegaを計算する。§E17.10 命題 5.4によりF∗(dy)=sin⁡v du+ucos⁡v dvF^*(dy)=\sin v\,du+u\cos v\,dv、F∗x=ucos⁡vF^*x=u\cos vであるから

F∗ω=(ucos⁡v)(sin⁡v du+ucos⁡v dv)=usin⁡vcos⁡v du+u2cos⁡2v dvF^*\omega=(u\cos v)(\sin v\,du+u\cos v\,dv)=u\sin v\cos v\,du+u^2\cos^2 v\,dv

である。外微分を取ると、du∧dvdu\wedge dvの係数は

∂∂u(u2cos⁡2v)−∂∂v(usin⁡vcos⁡v)=2ucos⁡2v−u(cos⁡2v−sin⁡2v)=u(cos⁡2v+sin⁡2v)=u\frac{\partial}{\partial u}\bigl(u^2\cos^2v\bigr)-\frac{\partial}{\partial v}\bigl(u\sin v\cos v\bigr) =2u\cos^2v-u\bigl(\cos^2v-\sin^2v\bigr) =u\bigl(\cos^2v+\sin^2v\bigr)=u

である。したがってd(F∗ω)=u du∧dv=F∗(dω)d(F^*\omega)=u\,du\wedge dv=F^*(d\omega)である。

4 不変表示

座標を用いない表示を得るために、ベクトル場を引数とする写像がいつ各点で決まる対象を定めるのかを確かめる。

補題 4.1.m≥1m\ge 1とし、B:X(M)m→C∞(M)B:\mathfrak{X}(M)^m\to C^\infty(M)をC∞(M)C^\infty(M)多重線形写像とする。すなわち各変数について、f,g∈C∞(M)f,g\in C^\infty(M)とベクトル場X,YX,Yに対してB(…,fX+gY,… )=fB(…,X,… )+gB(…,Y,… )B(\dots,fX+gY,\dots)=fB(\dots,X,\dots)+gB(\dots,Y,\dots)が成り立つとする。このとき次が成り立つ。

  1. Xr∣p=Yr∣pX_r|_p=Y_r|_p(r=1,…,mr=1,\dots,m)ならばB(X1,…,Xm)(p)=B(Y1,…,Ym)(p)B(X_1,\dots,X_m)(p)=B(Y_1,\dots,Y_m)(p)である。したがって各点ppでmm重線形形式Bp:(TpM)m→RB_p:(T_pM)^m\to\mathbb{R}が定まり、B(X1,…,Xm)(p)=Bp(X1∣p,…,Xm∣p)B(X_1,\dots,X_m)(p)=B_p(X_1|_p,\dots,X_m|_p)となる。
  2. さらにBBが交代的、すなわち二つの引数が同じベクトル場のとき値が00であるならば、各BpB_pは交代mm重線形形式であり、対応p↦Bpp\mapsto B_pはMM上のmm次微分形式を定める。

証明.補題 2.2 (1)を示す。多重線形性により

B(X1,…,Xm)−B(Y1,…,Ym)=∑r=1mB(Y1,…,Yr−1,Xr−Yr,Xr+1,…,Xm)B(X_1,\dots,X_m)-B(Y_1,\dots,Y_m)=\sum_{r=1}^{m}B(Y_1,\dots,Y_{r-1},X_r-Y_r,X_{r+1},\dots,X_m)

であるから、ある引数がppで消えるとき値がppで00になることを示せばよい。X∣p=0X|_p=0とし、XXが第一引数にあるとする(他の引数の場合も同じ議論である)。

ppの周りのチャート(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))を取り、UUの上でX=∑i=1nai ∂/∂xiX=\sum_{i=1}^{n}a^i\,\partial/\partial x^iと書く。X∣p=0X|_p=0からai(p)=0a^i(p)=0である。§E17.2 命題 1.5により、ppのある開近傍W⊆UW\subseteq Uの上で11に等しく、台がコンパクトでUUに含まれるC∞C^\infty関数χ:M→[0,1]\chi:M\to[0,1]を取る。χai\chi a^iをUUの外へ00で延ばしたものをbi∈C∞(M)b^i\in C^\infty(M)、χ ∂/∂xi\chi\,\partial/\partial x^iを同様に延ばしたものをEi∈X(M)E_i\in\mathfrak{X}(M)とする。

M=U∪(M∖supp⁡χ)M=U\cup(M\setminus\operatorname{supp}\chi)であり、UUの上では両辺がχ2X\chi^2Xに等しく、supp⁡χ\operatorname{supp}\chiの外では両辺が00であるから、MMの上で

χ2X=∑i=1nbi Ei\chi^2X=\sum_{i=1}^{n}b^i\,E_i

が成り立つ。C∞(M)C^\infty(M)多重線形性から

χ2 B(X,X2,…,Xm)=B(χ2X,X2,…,Xm)=∑i=1nbi B(Ei,X2,…,Xm)\chi^2\,B(X,X_2,\dots,X_m)=B(\chi^2X,X_2,\dots,X_m)=\sum_{i=1}^{n}b^i\,B(E_i,X_2,\dots,X_m)

である。ppで評価するとχ(p)=1\chi(p)=1かつbi(p)=ai(p)=0b^i(p)=a^i(p)=0であるから、B(X,X2,…,Xm)(p)=0B(X,X_2,\dots,X_m)(p)=0を得る。

これで 1 の前半が従う。各点ppとv1,…,vm∈TpMv_1,\dots,v_m\in T_pMに対しては、vrv_rを値に持つC∞C^\inftyベクトル場を取ってBp(v1,…,vm)B_p(v_1,\dots,v_m)を定める。そのようなベクトル場は、座標表示vr=∑i=1ncri ∂/∂xi∣pv_r=\sum_{i=1}^{n}c^i_r\,\partial/\partial x^i|_pに対して∑i=1ncriEi\sum_{i=1}^{n}c^i_r E_iを取れば存在する。BpB_pの多重線形性はBBの多重線形性から従う。

(2)を示す。二つの引数が同じ接ベクトルであるとき、その接ベクトルを値に持つ同一のベクトル場を両方の引数へ入れればBBの交代性から値は00である。(1)によりこの値がBpB_pの値であるから、BpB_pは交代的である。滑らかさを見る。p∈Mp\in Mを取り、上のWWとEiE_iを用いると、WWの上でEi=∂/∂xiE_i=\partial/\partial x^iであるから、増加添字I=(i1<⋯<im)I=(i_1<\cdots<i_m)に対して

Bq(∂∂xi1∣q,…,∂∂xim∣q)=B(Ei1,…,Eim)(q)(q∈W)B_q\Bigl(\frac{\partial}{\partial x^{i_1}}\Big|_q,\dots,\frac{\partial}{\partial x^{i_m}}\Big|_q\Bigr)=B(E_{i_1},\dots,E_{i_m})(q) \qquad(q\in W)

であり、右辺はC∞C^\infty関数である。§E17.10 命題 4.1によりこの値が座標表示の成分であり、§E17.10 命題 2.2 条件 (c)から、p↦Bpp\mapsto B_pはC∞C^\infty切断である。▨

括弧積[X,Y][X,Y]は§E17.7 定義 1.2による。括弧積は局所的である。すなわちXXとX′X'、YYとY′Y'がそれぞれ開集合WWの上で一致すれば、[X,Y][X,Y]と[X′,Y′][X',Y']もWWの上で一致する。実際、p∈Wp\in Wとf∈C∞(M)f\in C^\infty(M)に対し、YfYfとY′fY'fはWWの上で一致するので§E17.3 補題 1.3によりXp(Yf)=Xp(Y′f)=Xp′(Y′f)X_p(Yf)=X_p(Y'f)=X'_p(Y'f)であり、XXとYYを入れ替えた項についても同様である。

定理 4.2.ω∈Ω1(M)\omega\in\Omega^1(M)、X,Y∈X(M)X,Y\in\mathfrak{X}(M)とする。このとき

dω(X,Y)=X(ω(Y))−Y(ω(X))−ω([X,Y])d\omega(X,Y)=X\bigl(\omega(Y)\bigr)-Y\bigl(\omega(X)\bigr)-\omega\bigl([X,Y]\bigr)

が成り立つ。

証明. 右辺をB(X,Y)B(X,Y)と書く。BBはR\mathbb{R}双線形である。

BBが交代的であることを見る。XXとYYを入れ替えると、第一項と第二項が入れ替わって符号が変わり、[Y,X]=−[X,Y][Y,X]=-[X,Y](§E17.7 定義 1.2)から第三項も符号が変わる。よってB(Y,X)=−B(X,Y)B(Y,X)=-B(X,Y)であり、とくにB(X,X)=0B(X,X)=0である。

BBがC∞(M)C^\infty(M)双線形であることを見る。交代性から第二引数について確かめれば足りる。f∈C∞(M)f\in C^\infty(M)に対し、§E17.7 定義 1.2の定義から[X,fY]=f[X,Y]+(Xf)Y[X,fY]=f[X,Y]+(Xf)Yである。実際、g∈C∞(M)g\in C^\infty(M)に対して

[X,fY]g=X(fYg)−fY(Xg)=(Xf)(Yg)+fX(Yg)−fY(Xg)=(f[X,Y]+(Xf)Y)g[X,fY]g=X\bigl(fY g\bigr)-fY(Xg)=(Xf)(Yg)+fX(Yg)-fY(Xg)=\bigl(f[X,Y]+(Xf)Y\bigr)g

である。したがって

B(X,fY)=X(f ω(Y))−fY(ω(X))−ω(f[X,Y]+(Xf)Y)B(X,fY)=X\bigl(f\,\omega(Y)\bigr)-fY\bigl(\omega(X)\bigr)-\omega\bigl(f[X,Y]+(Xf)Y\bigr)=(Xf) ω(Y)+f X(ω(Y))−f Y(ω(X))−f ω([X,Y])−(Xf) ω(Y)=f B(X,Y)=(Xf)\,\omega(Y)+f\,X\bigl(\omega(Y)\bigr)-f\,Y\bigl(\omega(X)\bigr)-f\,\omega([X,Y])-(Xf)\,\omega(Y) =f\,B(X,Y)

である。加法性は明らかであるから、BBはC∞(M)C^\infty(M)双線形である。

補題 4.1により、BBはMM上の22次微分形式を定める。左辺dωd\omegaも22次微分形式であるから、両者が各点の座標基底の上で一致することを示せばよい。

p∈Mp\in Mを取り、チャート(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))と、その上の座標基底を取る。補題 4.1の証明で作ったEi=χ ∂/∂xiE_i=\chi\,\partial/\partial x^iを用いると、ppの近傍WWの上でEi=∂/∂xiE_i=\partial/\partial x^iであり、括弧積の局所性から[Ei,Ej]∣W=[∂/∂xi,∂/∂xj]∣W=0[E_i,E_j]|_W=[\partial/\partial x^i,\partial/\partial x^j]|_W=0である(座標基底どうしの括弧積が消えることは、∂i∂jf=∂j∂if\partial_i\partial_j f=\partial_j\partial_i f、すなわち§E4.4 定理 2.1による)。

UUの上でω=∑i=1nωi dxi\omega=\sum_{i=1}^{n}\omega_i\,dx^iと表す。定理 2.4により

dω=∑i=1n∑j=1n∂ωi∂xj dxj∧dxid\omega=\sum_{i=1}^{n}\sum_{j=1}^{n}\frac{\partial\omega_i}{\partial x^j}\,dx^j\wedge dx^i

であり、§E17.10 系 3.6により(dxj∧dxi)(∂/∂xa,∂/∂xb)=δajδbi−δbjδai(dx^j\wedge dx^i)(\partial/\partial x^a,\partial/\partial x^b)=\delta^j_a\delta^i_b-\delta^j_b\delta^i_aであるから

dω(∂∂xa,∂∂xb)=∂ωb∂xa−∂ωa∂xbd\omega\Bigl(\frac{\partial}{\partial x^a},\frac{\partial}{\partial x^b}\Bigr) =\frac{\partial\omega_b}{\partial x^a}-\frac{\partial\omega_a}{\partial x^b}

である。一方、q∈Wq\in Wに対し補題 4.1 (1)により

Bq(∂∂xa∣q,∂∂xb∣q)=B(Ea,Eb)(q)=∂ωb∂xa(q)−∂ωa∂xb(q)−0B_q\Bigl(\frac{\partial}{\partial x^a}\Big|_q,\frac{\partial}{\partial x^b}\Big|_q\Bigr) =B(E_a,E_b)(q) =\frac{\partial\omega_b}{\partial x^a}(q)-\frac{\partial\omega_a}{\partial x^b}(q)-0

である(WWの上でEa=∂/∂xaE_a=\partial/\partial x^aであり、ω(∂/∂xb)=ωb\omega(\partial/\partial x^b)=\omega_bは§E17.10 命題 4.1による)。両者は一致する。ppとチャートは任意であったから、二つの22次形式は等しい。▨

定理 4.3.kkを非負整数、ω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)、X0,…,Xk∈X(M)X_0,\dots,X_k\in\mathfrak{X}(M)とする。このとき

dω(X0,…,Xk)=∑i=0k(−1)iXi(ω(X0,…,Xi^,…,Xk))+∑0≤i<j≤k(−1)i+jω([Xi,Xj],X0,…,Xi^,…,Xj^,…,Xk)d\omega(X_0,\dots,X_k)=\sum_{i=0}^{k}(-1)^{i}X_i\Bigl(\omega\bigl(X_0,\dots,\widehat{X_i},\dots,X_k\bigr)\Bigr) +\sum_{0\le i<j\le k}(-1)^{i+j}\omega\bigl([X_i,X_j],X_0,\dots,\widehat{X_i},\dots,\widehat{X_j},\dots,X_k\bigr)

が成り立つ。ここでXi^\widehat{X_i}はその引数を省くことを表す。k=0k=0ではこの式はdf(X0)=X0(f)df(X_0)=X_0(f)を、k=1k=1では定理 4.2を与える。

証明.k=0k=0のときは第二の和が空であり、第一の和はX0(f)X_0(f)である。これは命題 1.1そのものである。以下k≥1k\ge 1とする。

右辺をDω(X0,…,Xk)D\omega(X_0,\dots,X_k)と書く。DωD\omegaは各引数についてR\mathbb{R}線形である。

隣り合う二つの引数が等しいとき値が00であること。Xp=Xp+1=XX_p=X_{p+1}=Xとする。第一の和では、i∉{p,p+1}i\notin\{p,p+1\}の項に現れるω\omegaの引数の並びにXpX_pとXp+1X_{p+1}の両方が残るので、ω\omegaの交代性から値は00である。i=pi=pの項とi=p+1i=p+1の項では、省いた後の引数の並びが(Xp=Xp+1X_p=X_{p+1}であるから)同一であり、外側の作用素もXp=Xp+1X_p=X_{p+1}で同じであるが、符号(−1)p(-1)^pと(−1)p+1(-1)^{p+1}が反対であるから相殺する。

第二の和では、(i,j)=(p,p+1)(i,j)=(p,p+1)の項は[X,X]=0[X,X]=0(§E17.7 定義 1.2の交代性)から00である。i,ji,jがともに{p,p+1}\{p,p+1\}に属さない項では、ω\omegaの引数の並びにXpX_pとXp+1X_{p+1}の両方が残るので00である。i<pi<pに対する(i,p)(i,p)と(i,p+1)(i,p+1)の二項では、[Xi,Xp]=[Xi,Xp+1][X_i,X_p]=[X_i,X_{p+1}]であり、残りの引数の並びも同一であり、符号(−1)i+p(-1)^{i+p}と(−1)i+p+1(-1)^{i+p+1}が反対であるから相殺する。j>p+1j>p+1に対する(p,j)(p,j)と(p+1,j)(p+1,j)の二項についても同様である。よってDω(X0,…,Xk)=0D\omega(X_0,\dots,X_k)=0である。

R\mathbb{R}多重線形性と、隣り合う二引数が等しいとき値が消えることから、隣接する二引数の交換で符号が変わり、したがって任意の置換σ\sigmaについてDωD\omegaはsgn⁡(σ)\operatorname{sgn}(\sigma)倍になる。とくに任意の二引数が等しいとき値は00である。

C∞(M)C^\infty(M)多重線形性。上の符号の規則により、第00引数について確かめれば足りる。f∈C∞(M)f\in C^\infty(M)に対しDω(fX0,X1,…,Xk)D\omega(fX_0,X_1,\dots,X_k)を計算する。

第一の和では、i=0i=0の項がf X0(ω(X1,…,Xk))f\,X_0(\omega(X_1,\dots,X_k))になる。i≥1i\ge 1の項ではω\omegaの第一引数がfX0fX_0になるので

(−1)iXi(f ω(X0,…,Xi^,…,Xk))=(−1)if Xi(ω(⋯ ))+(−1)i(Xif) ω(X0,…,Xi^,…,Xk)(-1)^iX_i\Bigl(f\,\omega\bigl(X_0,\dots,\widehat{X_i},\dots,X_k\bigr)\Bigr) =(-1)^i f\,X_i\bigl(\omega(\cdots)\bigr)+(-1)^i(X_if)\,\omega\bigl(X_0,\dots,\widehat{X_i},\dots,X_k\bigr)

となり、f Dωf\,D\omegaに現れる項のほかに

∑i=1k(−1)i(Xif) ω(X0,…,Xi^,…,Xk)\sum_{i=1}^{k}(-1)^i(X_if)\,\omega\bigl(X_0,\dots,\widehat{X_i},\dots,X_k\bigr)

が現れる。

第二の和では、i≥1i\ge 1の項はω\omegaの引数の一つがfX0fX_0になるだけでありff倍を与える。i=0i=0の項では[fX0,Xj]=f[X0,Xj]−(Xjf)X0[fX_0,X_j]=f[X_0,X_j]-(X_jf)X_0である(定理 4.2の証明で確かめた[X,fY]=f[X,Y]+(Xf)Y[X,fY]=f[X,Y]+(Xf)Yを、括弧積の交代性を用いて書き直したものである)。したがって(0,j)(0,j)の項は

(−1)jf ω([X0,Xj],X1,…,Xj^,…,Xk)−(−1)j(Xjf) ω(X0,X1,…,Xj^,…,Xk)(-1)^{j}f\,\omega\bigl([X_0,X_j],X_1,\dots,\widehat{X_j},\dots,X_k\bigr) -(-1)^{j}(X_jf)\,\omega\bigl(X_0,X_1,\dots,\widehat{X_j},\dots,X_k\bigr)

となり、f Dωf\,D\omegaに現れる項のほかに

−∑j=1k(−1)j(Xjf) ω(X0,X1,…,Xj^,…,Xk)-\sum_{j=1}^{k}(-1)^{j}(X_jf)\,\omega\bigl(X_0,X_1,\dots,\widehat{X_j},\dots,X_k\bigr)

が現れる。二つの追加項は、同じ引数の並びに対する同じ係数を符号だけ変えて持つので相殺する。よってDω(fX0,X1,…,Xk)=f Dω(X0,…,Xk)D\omega(fX_0,X_1,\dots,X_k)=f\,D\omega(X_0,\dots,X_k)である。

以上よりDωD\omegaは交代的なC∞(M)C^\infty(M)多重線形写像であり、補題 4.1によってMM上の(k+1)(k+1)次微分形式を定める。

座標基底での比較。p∈Mp\in M、チャート(U,φ=(x1,…,xn))(U,\varphi=(x^1,\dots,x^n))、および補題 4.1の証明で作ったEiE_iを取る。ppの近傍WWの上でEi=∂/∂xiE_i=\partial/\partial x^iであり、括弧積はWWの上で消える。増加する添字a0<a1<⋯<aka_0<a_1<\cdots<a_kを取り、A=(a0,…,ak)A=(a_0,\dots,a_k)と書く。Dω(Ea0,…,Eak)D\omega(E_{a_0},\dots,E_{a_k})をWWの上で計算すると、Eai=∂/∂xaiE_{a_i}=\partial/\partial x^{a_i}であり第二の和は括弧積が消えることから00になるので、q∈Wq\in Wに対して

(Dω)q(∂∂xa0∣q,…,∂∂xak∣q)=∑r=0k(−1)r∂∂xar(ωA∖{ar})(q)(D\omega)_q\Bigl(\frac{\partial}{\partial x^{a_0}}\Big|_q,\dots,\frac{\partial}{\partial x^{a_k}}\Big|_q\Bigr) =\sum_{r=0}^{k}(-1)^{r}\frac{\partial}{\partial x^{a_r}}\bigl(\omega_{A\setminus\{a_r\}}\bigr)(q)

である。ここでωA∖{ar}\omega_{A\setminus\{a_r\}}は、AAからara_rを除いた増加添字に対するω\omegaの成分である(§E17.10 命題 4.1)。

一方ω∣U=∑IωI dxI\omega|_U=\sum_I\omega_I\,dx^I(IIは増加するkk個の添字)に対し

dω∣U=∑I∑j=1n∂ωI∂xj dxj∧dxId\omega|_U=\sum_{I}\sum_{j=1}^{n}\frac{\partial\omega_I}{\partial x^j}\,dx^j\wedge dx^{I}

であり、§E17.10 系 3.6により

(dxj∧dxi1∧⋯∧dxik)(∂∂xa0,…,∂∂xak)=det⁡(δascr)r,s=0k,(c0,…,ck)=(j,i1,…,ik)\bigl(dx^{j}\wedge dx^{i_1}\wedge\cdots\wedge dx^{i_k}\bigr) \Bigl(\frac{\partial}{\partial x^{a_0}},\dots,\frac{\partial}{\partial x^{a_k}}\Bigr) =\det\bigl(\delta^{c_r}_{a_s}\bigr)_{r,s=0}^{k}, \qquad (c_0,\dots,c_k)=(j,i_1,\dots,i_k)

である。この行列式が00でないのは、(c0,…,ck)(c_0,\dots,c_k)が(a0,…,ak)(a_0,\dots,a_k)の並べ替えであるときに限る。IIは増加添字であるから、j∈Ij\in Iならば行が重複して行列式は00である。j∉Ij\notin Iかつ{j}∪I={a0,…,ak}\{j\}\cup I=\{a_0,\dots,a_k\}のときは、j=arj=a_rかつI=A∖{ar}I=A\setminus\{a_r\}である。列(ar,a0,…,ar^,…,ak)(a_r,a_0,\dots,\widehat{a_r},\dots,a_k)は(a0,…,ak)(a_0,\dots,a_k)からara_rを先頭へ移したものであり、隣接交換をrr回行って得られるので、行列式は(−1)r(-1)^rである。したがって

dω(∂∂xa0,…,∂∂xak)=∑r=0k(−1)r∂∂xar(ωA∖{ar})d\omega\Bigl(\frac{\partial}{\partial x^{a_0}},\dots,\frac{\partial}{\partial x^{a_k}}\Bigr) =\sum_{r=0}^{k}(-1)^{r}\frac{\partial}{\partial x^{a_r}}\bigl(\omega_{A\setminus\{a_r\}}\bigr)

である。二つの値は一致する。dωd\omegaとDωD\omegaはともに交代形式であるから、増加する添字の組で一致すれば任意の座標基底の組で一致し、したがってppにおいて一致する。ppは任意であったから、等式が成り立つ。▨

注意 4.4 (外微分が括弧積を通じて非可換性を測ること).定理 4.2の右辺の第一項と第二項は、関数ω(Y)\omega(Y)とω(X)\omega(X)をXXとYYの方向へ微分したものである。第三項のω([X,Y])\omega([X,Y])は、XXとYYが交換しない度合いをω\omegaで測ったものである。

ω(X)\omega(X)とω(Y)\omega(Y)がともに定数関数である場合には、第一項と第二項が消えて

dω(X,Y)=−ω([X,Y])d\omega(X,Y)=-\omega\bigl([X,Y]\bigr)

となる。このときdωd\omegaの値は、XXとYYの括弧積だけで決まる。逆に、XXとYYが可換([X,Y]=0[X,Y]=0)であれば、dω(X,Y)d\omega(X,Y)は二つの方向微分の差に等しい。座標基底∂/∂xi\partial/\partial x^iどうしは可換であり、定理 4.2の証明で用いた座標表示∂aωb−∂bωa\partial_a\omega_b-\partial_b\omega_aはこの場合にあたる。

例 4.5 (不変表示の検算).M=R2M=\mathbb{R}^2、座標を(x,y)(x,y)とし、X=∂/∂xX=\partial/\partial x、Y=x ∂/∂yY=x\,\partial/\partial yと置く。括弧積を計算すると、f∈C∞(R2)f\in C^\infty(\mathbb{R}^2)に対して

[X,Y]f=∂∂x(x∂f∂y)−x∂∂y(∂f∂x)=∂f∂y+x∂2f∂x∂y−x∂2f∂y∂x=∂f∂y[X,Y]f=\frac{\partial}{\partial x}\Bigl(x\frac{\partial f}{\partial y}\Bigr)-x\frac{\partial}{\partial y}\Bigl(\frac{\partial f}{\partial x}\Bigr) =\frac{\partial f}{\partial y}+x\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}-x\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x} =\frac{\partial f}{\partial y}

であるから[X,Y]=∂/∂y[X,Y]=\partial/\partial yである(§E4.4 定理 2.1を用いた)。

ω=x dy\omega=x\,dyとするとdω=dx∧dyd\omega=dx\wedge dyである。左辺は

dω(X,Y)=(dx∧dy)(∂∂x, x∂∂y)=x (dx∧dy)(∂∂x,∂∂y)=xd\omega(X,Y)=(dx\wedge dy)\Bigl(\frac{\partial}{\partial x},\ x\frac{\partial}{\partial y}\Bigr) =x\,(dx\wedge dy)\Bigl(\frac{\partial}{\partial x},\frac{\partial}{\partial y}\Bigr)=x

である。右辺は、ω(Y)=x dy(x ∂/∂y)=x2\omega(Y)=x\,dy(x\,\partial/\partial y)=x^2、ω(X)=x dy(∂/∂x)=0\omega(X)=x\,dy(\partial/\partial x)=0、ω([X,Y])=x dy(∂/∂y)=x\omega([X,Y])=x\,dy(\partial/\partial y)=xから

X(x2)−Y(0)−x=2x−0−x=xX(x^2)-Y(0)-x=2x-0-x=x

である。両者は一致する。ここで括弧積の項を落とすと2x2xとなり、左辺と食い違う。不変表示に第三項が必要であることが、この例で確かめられる。

ω=dy\omega=dyの場合も見る。dω=0d\omega=0であり、右辺はX(ω(Y))−Y(ω(X))−ω([X,Y])=X(x)−Y(0)−1=1−0−1=0X(\omega(Y))-Y(\omega(X))-\omega([X,Y])=X(x)-Y(0)-1=1-0-1=0である。

5 閉形式と完全形式

定義 5.1.ω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)が閉形式 (closed form) であるとはdω=0d\omega=0が成り立つことをいう。ω∈Ωk(M)\omega\in\Omega^k(M)が完全形式 (exact form) であるとは、η∈Ωk−1(M)\eta\in\Omega^{k-1}(M)であってω=dη\omega=d\etaを満たすものが存在することをいう。k=0k=0のときはΩ−1(M)={0}\Omega^{-1}(M)=\{0\}と読み、完全な00次形式は00だけである。

命題 5.2. 完全形式は閉形式である。すなわちω=dη\omega=d\etaならばdω=0d\omega=0である。

証明.dω=d(dη)=0d\omega=d(d\eta)=0である(命題 2.5)。▨

逆は一般には成り立たない。次の例は、閉形式であって完全形式でないものを与える。

例 5.3 (閉であるが完全でない 1 形式).U=R2∖{(0,0)}U=\mathbb{R}^2\setminus\{(0,0)\}とし、UUの上で

ω=−y dx+x dyx2+y2\omega=\frac{-y\,dx+x\,dy}{x^2+y^2}

と置く。UUはR2\mathbb{R}^2の開集合であるからC∞C^\infty多様体である(§E17.1 命題 7.1)。

ω\omegaは閉形式である。実際、P=−y/(x2+y2)P=-y/(x^2+y^2)、Q=x/(x2+y2)Q=x/(x^2+y^2)と置くと

∂Q∂x=(x2+y2)−x⋅2x(x2+y2)2=y2−x2(x2+y2)2,∂P∂y=−(x2+y2)+y⋅2y(x2+y2)2=y2−x2(x2+y2)2\frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{(x^2+y^2)-x\cdot 2x}{(x^2+y^2)^2}=\frac{y^2-x^2}{(x^2+y^2)^2}, \qquad \frac{\partial P}{\partial y}=\frac{-(x^2+y^2)+y\cdot 2y}{(x^2+y^2)^2}=\frac{y^2-x^2}{(x^2+y^2)^2}

であるから、dω=(∂Q/∂x−∂P/∂y) dx∧dy=0d\omega=(\partial Q/\partial x-\partial P/\partial y)\,dx\wedge dy=0である。

ω\omegaは完全形式でない。f∈C∞(U)f\in C^\infty(U)がω=df\omega=dfを満たすと仮定する。γ:R→U\gamma:\mathbb{R}\to U、γ(t)=(cos⁡t,sin⁡t)\gamma(t)=(\cos t,\sin t)と置くと、γ\gammaはC∞C^\infty写像であり、その速度ベクトルはγ′(t)=−sin⁡t ∂/∂x+cos⁡t ∂/∂y\gamma'(t)=-\sin t\,\partial/\partial x+\cos t\,\partial/\partial yである。§E17.3 定理 5.3により

ddt(f∘γ)(t)=dfγ(t)(γ′(t))=ωγ(t)(γ′(t))\frac{d}{dt}\bigl(f\circ\gamma\bigr)(t)=df_{\gamma(t)}\bigl(\gamma'(t)\bigr)=\omega_{\gamma(t)}\bigl(\gamma'(t)\bigr)

である。γ(t)\gamma(t)ではx2+y2=1x^2+y^2=1であるから

ωγ(t)(γ′(t))=−sin⁡t⋅(−sin⁡t)+cos⁡t⋅cos⁡t=1\omega_{\gamma(t)}\bigl(\gamma'(t)\bigr)=-\sin t\cdot(-\sin t)+\cos t\cdot\cos t=1

である。したがってf(γ(t))=f(γ(0))+tf(\gamma(t))=f(\gamma(0))+tとなるが、γ(2π)=γ(0)\gamma(2\pi)=\gamma(0)であるからf(γ(0))=f(γ(0))+2πf(\gamma(0))=f(\gamma(0))+2\piとなり矛盾する。よってω\omegaは完全形式でない。

星型の開集合の上では、k≥1k\ge1の閉形式が必ず完全形式になる。この主張と、その一般の開集合への一般化が破れる理由は「内部積・Cartan の公式・Poincaré の補題」が扱う。

6 演習

問題 6.1.

  1. 補題 2.2 (1)の証明で、χω\chi\omegaがMMの全体で00であることを言うためにM=U∪(M∖supp⁡χ)M=U\cup(M\setminus\operatorname{supp}\chi)を用いた。supp⁡χ⊆U\operatorname{supp}\chi\subseteq Uという条件を落とすと、この分解のどこが成り立たなくなるのかを述べる。
  2. 定理 2.4の一意性の証明で、定義 2.1 条件 (d)を用いたのはdU(dxi)=0d_U(dx^i)=0を示す一箇所だけである。この一箇所を落とすと、四条件のうち残りの三つだけからは作用素が一意に定まらないことを、d′(f)=dfd'(f)=df、d′(f dx1)=df∧dx1+f Θd'(f\,dx^1)=df\wedge dx^1+f\,\Theta(Θ\Thetaは固定した22次形式)という形の候補を検討して確かめる。
  3. 補題 2.3の定義 2.1 条件 (c)の検証で、dxI∧db=(−1)kdb∧dxIdx^I\wedge db=(-1)^k db\wedge dx^Iを用いた。この符号を(−1)k+1(-1)^{k+1}と誤ると Leibniz 則がどのように破れるかを、k=1k=1の具体例で確かめる。
  4. 命題 3.1の証明は、k=0k=0の場合を先に示し、それをF∗(dya)=dFaF^*(dy^a)=dF^aの形で一般の場合へ用いている。この一手がなければ議論が進まない箇所を特定する。
  5. 補題 4.1の証明で、χX\chi Xではなくχ2X=∑i=1n(χai)(χ ∂/∂xi)\chi^2X=\sum_{i=1}^{n}(\chi a^i)(\chi\,\partial/\partial x^i)という分解を用いた理由を述べる。χai\chi a^iとχ ∂/∂xi\chi\,\partial/\partial x^iのそれぞれがMM全体で定義されることが、どの段階で必要になるのかを特定する。
  6. 定理 4.3の証明で、C∞(M)C^\infty(M)多重線形性を第00引数についてだけ確かめれば足りる理由を述べる。第rr引数(r≥1r\ge1)についての主張を、交代性からどのように導くのかを書き下す。
  7. 定理 4.3をk=2k=2、ω=f dx1∧dx2\omega=f\,dx^1\wedge dx^2、(X0,X1,X2)=(∂/∂x1,∂/∂x2,∂/∂x3)(X_0,X_1,X_2)=(\partial/\partial x^1,\partial/\partial x^2,\partial/\partial x^3)に対して両辺を計算し、ともに∂f/∂x3\partial f/\partial x^3になることを確かめる。
  8. 例 5.3で、UUをR2\mathbb{R}^2の上半平面へ取り替えるとω\omegaが完全形式になる。その場合の原始関数を一つ書き下し、上の矛盾を導く議論のどこが成り立たなくなるのかを述べる。

7 境界と次

外微分の四条件による特徴づけは、作用素が一意であることまでを述べている。逆に、四条件のうちどれか一つを落とすと一意性が失われる。定理 2.4の証明は、定義 2.1 条件 (d)をdU(dxi)=0d_U(dx^i)=0を得るためだけに用いており、そこが一意性の要である。

定理 4.3に1/(k+1)1/(k+1)の因子が付かないのは、外積を§E17.10 定義 3.1の行列式の規約で定めたからである。交代化作用素に(k+l)!k! l!\frac{(k+l)!}{k!\,l!}を掛ける規約を採ると、不変表示の右辺に1/(k+1)1/(k+1)が現れる。規約を混ぜて用いてはならない。

閉形式が完全形式であるかどうかは、定義域の形に依存する。例 5.3は、平面から一点を除いた領域でこの含意が破れることを示している。星型の開集合の上でk≥1k\ge1の閉形式が完全であることは「内部積・Cartan の公式・Poincaré の補題」で証明する。閉形式の全体を完全形式の全体で割った商として不変量を作る操作は「de Rham 複体とホモトピー不変性」が扱う。

外微分の不変表示は、分布を11形式の共通零点として与えたときに、可積分条件を外積イデアルの言葉で書き直すために用いる。この書き直しは「Frobenius の定理の微分形式による定式化」が扱う。

参考文献

  1. John M. Lee, Introduction to Smooth Manifolds, 2nd ed., Graduate Texts in Mathematics 218, Springer, New York, 2013.外微分の四条件による特徴づけ、存在と一意性の局所的な構成、一般次数の不変表示、および符号と係数の規約を参考にした。
  2. Frank W. Warner, Foundations of Differentiable Manifolds and Lie Groups, Graduate Texts in Mathematics 94, Springer, 1983, originally published 1971.外微分の一意性の議論と、引き戻しとの可換性の証明の構成を参考にした。
  3. Raoul Bott and Loring W. Tu, Differential Forms in Algebraic Topology, Graduate Texts in Mathematics 82, Springer, New York, 1982.外微分を微分とする複体の設定と、閉形式・完全形式の用語法を参考にした。

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