Derivata externă a unei forme diferențiale de grad {\ displaystyle k} este o formă diferențială de grad {\ displaystyle k + 1} .
Derivată externă a unei funcții
Este {\ displaystyle f} o funcție lină (adică o formă 0). Derivatul extern al {\ displaystyle f} este diferențialul{\ displaystyle df} din {\ displaystyle f} , adică singura formă astfel încât pentru fiecare câmp vector{\ displaystyle X} aveți {\ displaystyle df (X) = Xf} , unde este {\ displaystyle Xf} este derivata direcțională a {\ displaystyle f} către {\ displaystyle X} . [1]
Derivată externă a unei forme k
Derivata externă este definită ca singura transformare liniară cu valoare reală care mapează formele k în forme (k + 1) astfel încât să satisfacă următoarele proprietăți:
{\ displaystyle df} este diferențialul {\ displaystyle f} pentru {\ displaystyle f}funcționalitate lină .
{\ displaystyle d (df) = 0} pentru fiecare funcție lină {\ displaystyle f} .
{\ displaystyle d (\ alpha \ wedge \ beta) = d \ alpha \ wedge \ beta + (- 1) ^ {p} \ alpha \ wedge d \ beta} , cu {\ displaystyle \ alpha} o formă de p.
A doua proprietate este valabilă într-un context mai general, deoarece{\ displaystyle d (d \ alpha) = 0} pentru fiecare formă k {\ displaystyle \ alpha} , în timp ce al treilea implică, ca caz particular, că dacă {\ displaystyle f} este o funcție și {\ displaystyle \ alpha} o formă k atunci {\ displaystyle d (f \ alpha) = df \ wedge \ alpha + f \ wedge d \ alpha} întrucât funcțiile sunt forme de grad zero.
Derivată externă în coordonate locale
Într-un sistem de coordonate local{\ displaystyle (x ^ {1}, \ dots, x ^ {n})} ia în considerare diferențialele {\ displaystyle (dx ^ {1}, \ dots, dx ^ {n})} , care constituie un set de forme unice. Având în vedere un set de indici {\ displaystyle I = (i_ {1}, \ dots, i_ {k})} , cu {\ displaystyle 1 \ leq i_ {p} \ leq n} Și{\ displaystyle 1 \ leq p \ leq k} , derivatul extern al unei forme k:
{\ displaystyle \ omega = f_ {I} {\ text {d}} x ^ {I} = f_ {i_ {1}, i_ {2} \ cdots i_ {k}} {\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {2}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {k}}}
pe {\ displaystyle \ mathbb {R} ^ {n}} este definit după cum urmează: [1]
{\ displaystyle {\ text {d}} {\ omega} = \ sum _ {i = 1} ^ {n} {\ frac {\ partial f_ {I}} {\ partial x ^ {i}}} {\ text {d}} x ^ {i} \ wedge {\ text {d}} x ^ {I}}
{\ displaystyle {\ text {d}} {\ omega} = {\ text {d}} (f_ {I} {\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {k}})}
{\ displaystyle = {\ text {d}} f_ {I} \ wedge ({\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {k}}) + f_ {I} {\ text {d}} ({\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {k}})}
{\ displaystyle = {\ text {d}} f_ {I} \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ { k}} + \ sum _ {p = 1} ^ {k} (- 1) ^ {(p-1)} f_ {I} {\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {p-1}} \ wedge {\ text {d}} ^ {2} x ^ {i_ {p}} \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {p + 1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {k}}}
{\ displaystyle = {\ text {d}} f_ {I} \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ { k}}}
{\ displaystyle = \ sum _ {i = 1} ^ {n} {\ frac {\ partial f_ {I}} {\ partial x ^ {i}}} {\ text {d}} x ^ {i} \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {1}} \ wedge \ cdots \ wedge {\ text {d}} x ^ {i_ {k}}}
unde este {\ displaystyle f_ {I}} este interpretat ca o formă zero, căreia i se aplică proprietățile derivatei externe.
Formula invariantă
O formulă explicită poate fi găsită pentru derivatul extern al unei forme k {\ displaystyle \ omega} atunci când se iau în considerare k + 1 câmpuri vectoriale netede {\ displaystyle V_ {0}, ..., V_ {k}} :
Cu alte cuvinte, forma {\ displaystyle df} acționează asupra fiecărui câmp vector {\ displaystyle V} returnând în fiecare punct produsul scalar al {\ displaystyle V} cu gradientul {\ displaystyle \ nabla f} . Forma 1 {\ displaystyle df} este o secțiune a fasciculului cotangent care produce o aproximare liniară locală a {\ displaystyle f} în spațiul cotangent din fiecare punct.
unde este {\ displaystyle {\ widehat {\ mathrm {d} x ^ {p}}}} denotă omiterea acestui element. Integrala din {\ displaystyle \ omega _ {V}} pe o suprafață este fluxul de {\ displaystyle V} prin această suprafață.
Derivata externă a acestei forme (n-1) este forma n:
Un câmp vector{\ displaystyle V} pe {\ displaystyle \ mathbb {R} ^ {n}} are o formă 1 corespunzătoare:
{\ displaystyle \ eta _ {V} = v_ {1} \; \ mathrm {d} x ^ {1} + v_ {2} \; \ mathrm {d} x ^ {2} + \ cdots + v_ {n } \; \ mathrm {d} x ^ {n}}
Local, {\ displaystyle \ eta _ {V}} este produsul interior cu {\ displaystyle V} , și integralul lui {\ displaystyle \ eta _ {V}} de-a lungul unei căi este lucrarea mecanică făcută „împotriva” {\ displaystyle -V} pe parcurs. Dacă n = 3, derivatul extern al lui {\ displaystyle \ eta _ {V}} este forma 2: