微分形式學習筆記(一)主要從多元函數的微積分引入,從變化速率(微分)和加權求和(積分)開始,探討曲線積分和曲面積分的參數化形式,特別是強調了拉伸係數的概念,從而對不可展平曲面進行積分。
微分形式學習筆記(二)回顧了參數化與曲線和曲面積分的關係,通過局部的微分同胚定義流形。該定義的引入主要是為了保證可參數化與可積分之間的充要關係。需要強調的是,流形的定義要比可參數化的條件強,它的核心要求是如果兩個參數化之間有交集,則要求其交集的部分的一致性和無窮階光滑。舉例來說,一張紙如果將一個角折起90°,其面積並不改變,但是由於摺痕的兩邊需要使用不同的參數化,而在折線處不光滑,因此就不是一個流形。N維流形要求局部處處微分同胚於同維的Rn。
微分形式學習筆記(三)引入了流形上的函數(標量場)和流形上的坐標網,這裡的坐標網是通過流形的嵌入空間進行參數得到的,對於一個二維的球面,我們利用嵌入三維空間的坐標(x,y,z)的參數化來構建坐標網,並根據這個坐標網來探討流形上的(切)方向。事實上,如果不考慮流形的嵌入空間,那麼流形上的方向就只有切方向,這是流形內蘊的,與其嵌入幾維空間無關。
微分形式學習筆記(四)探討了最重要的承上啟下的內容。首先,我們明確了流形的維度是指流形上可以獨立移動的方向,而p點處的方向顯然可以對獨立移動的方向進行求導。由於線性化與求導的密切聯繫,通過引入泛函和線性泛函的概念,我們證明了流形上p點處符合萊氏律的線性泛函L恰好可以反映其切方向!滿足萊氏律可以保證這個這個方向與p點對應,從而我們可以得出流形上的方向可以用泛函來表示而不必求導,其主要目的是為了繞過流形的嵌入空間。
微分形式學習筆記(五)進一步澄清了泛函的概念,儘管泛函的映射結果是一個實數,但是泛函本身是一個向量,考慮p點處的所有切向量組成的空間,我們定義了切空間和向量叢。切空間是指p點處的所有切向量。如果考慮嵌入空間,則顯然p點處的所有向量並不僅是切向量,也會有法向量和其他向量,所有這些向量的組合構成一個向量空間,在不指定p點的情況下,向量叢指流形上所有點處向量空間的集合。
微分形式學習筆記(六)主要定義了流形間切向量的推進,如果光滑映射F溝通了流形M和流形N,則定義一個滿足萊氏律的泛函F*(L)(g)=L(g•F)表示從流形M上的切方向到流形N上的切方向的推進。注意這裡的邏輯關係,對於流形M上的點p,F將其映射為流形N上的點F(p),然後流形N上的某個函數g作用於F(p),連接了流形N上的函數g與流形M上的p點的關係,從而可以理解為流形M上的一個複合函數,泛函L又將這個複合函數映成實數,這樣F*(L)(g)=L(g•F)就對應流形N上一個滿足萊氏律的泛函,從而是流形N上的一個切向量。
微分形式學習筆記(七)進一步明確的推進的性質,強調了推進是一個線性同態映射,同時在微分同胚的情況下,由於加入了一一對應的性質,流形的微分同胚就對應了切向量推進的線性同構。
微分形式學習筆記(八)首先討論了流形與其微分同胚的Rn的向量間的映射關係,同時引入雅可比矩陣描述歐式空間向量間的推進,之所以可以這麼做,是因為歐式空間是自然坐標,有其自然基。這樣,任意歐式空間中的向量均可由一組係數和自然基來表示。
利用函數的複合,將這種標準的雅可比矩陣進行變形即可表示流形M與流形N之間切向量和切空間的推進。其數學含義在於用m*n維矩陣左乘一個m行的係數,得到一個n列的係數,推進反映了兩個流形向量間的映射關係,會自然地把基也包括進來,但是推進的矩陣表示並不涉及流形之間自然基的對應關係。流形的基由各自微分同胚的歐式空間誘導,而其係數的映射關係由矩陣反映。簡言之,基是基,係數是係數。由於在微分同胚的情形下雅可比矩陣表現為方陣,因此可以用於流形M的換元映射。
微分形式學習筆記(九)介紹了流形上的向量場的概念,根據歐式空間的自然基可以得到與其一一對應的M維流形上的標準基,通過這個標準基就可以分解任意p點處的任意切向量,在此基礎上探討了F-相關的定義,並明確微分同胚的流形之間必然存在F-相關的向量場。