Forma differenziale
In geometria differenziale e nel calcolo differenziale a più variabili, una forma differenziale è un particolare oggetto che estende la nozione di funzione a più variabili.
Su una -varietà differenziabile, ad esempio un aperto dello spazio euclideo , una forma differenziale ha una dimensione minore o uguale a . Per questa ragione, viene anche indicata brevemente come -forma. Nel caso , la forma è un'ordinaria funzione. In generale, la proprietà che caratterizza è la possibilità di effettuare l'integrale di su un qualsiasi oggetto geometrico , di analoga dimensione , di una generica -varietà differenziabile. Il risultato di questa integrazione è indicato con
Pertanto, una 1-forma è integrabile su una curva, una 2-forma su una superficie, e così via.
Le 1-forme sono di fondamentale importanza in molti settori dell'analisi matematica, e in particolare in analisi complessa.
Definizione
La nozione di forma differenziale può essere introdotta in modi diversi.
In molti contesti, per utilizzare le forme differenziali è sufficiente basarsi su una definizione simile a quella di polinomio: una forma differenziale è semplicemente una scrittura formale di un certo tipo. Si definiscono quindi operazioni come quella di somma, prodotto e integrale su un insieme opportuno.
Le forme differenziali possono però essere definite in modo più intrinseco usando l'algebra lineare ed i concetti di tensore e fibrato tangente. In questo modo le forme risultano definite in contesti più ampi: ad esempio, il loro dominio non è necessariamente un aperto di , ma una qualsiasi varietà differenziabile.
Definizione come scrittura formale
Sia un aperto di . Sia un intero con
Una -forma differenziale è una scrittura del tipo:[1]
dove
è una funzione differenziabile e:
è chiamato prodotto wedge o prodotto esterno, da non confondere con il prodotto vettoriale , che viene talvolta indicato con lo stesso simbolo del prodotto wedge e chiamato anch'esso prodotto esterno, ma che non gode delle stesse proprietà. In particolare, il prodotto wedge è associativo, il prodotto vettoriale no. A volte, per brevità, i simboli sono omessi.
Esempi
Una 0-forma è semplicemente una funzione differenziabile definita su .
Una 1-forma in si scrive come
dove le sono opportune funzioni differenziabili. Per esempio le scritture seguenti sono 1-forme definite su .
dove nel primo esempio, i coefficienti sono funzioni costanti.
Una 2-forma in si scrive come
Per esempio la scrittura seguente è una 2-forma su :
In generale una -forma su si scrive sempre usando un unico addendo
dove è una funzione differenziabile.
Definizione come tensore
Una -forma è una sezione liscia della -esima algebra esterna del fibrato cotangente di una varietà differenziabile :
In altre parole, per ogni punto di è data una funzione multilineare antisimmetrica
dove è lo spazio tangente a in . La funzione varia in modo liscio (cioè è differenziabile infinite volte) al variare di . Equivalentemente, è un campo tensoriale che associa ad ogni punto di un tensore antisimmetrico di tipo .
Ad esempio, una 1-forma è un campo tensoriale di tipo , cioè una sezione del fibrato cotangente.
Aperti dello spazio euclideo
Se è un insieme aperto di , in ogni punto lo spazio tangente è identificato con . La base canonica per induce quindi una base per lo spazio vettoriale del tipo
dove l'elemento rappresenta una particolare funzione multilineare antisimmetrica. Quindi l'elemento è descritto univocamente come combinazione lineare di elementi di questa base
tramite dei coefficienti
che variano in modo liscio rispetto a . La definizione qui introdotta coincide quindi con quella formale descritta precedentemente.
Ad esempio, se allora
è lo spazio duale dei funzionali lineari su e è la base duale della base canonica. Una 1-forma associa ad ogni punto un funzionale lineare.
Carte
Se è una varietà qualsiasi, fissata una carta intorno ad un punto , ogni -forma è rappresentata come sopra. La rappresentazione dipende ovviamente dalla carta scelta.
Operazioni algebriche
Somma e prodotto per scalare
Due -forme possono essere sommate, dando luogo ad una nuova -forma. Una -forma può inoltre essere moltiplicata per uno scalare. Con queste operazioni l'insieme delle -forme su un aperto forma uno spazio vettoriale.
Prodotto esterno
Il prodotto esterno
di una -forma e di una -forma è una -forma. L'operazione di prodotto è definita svolgendo il prodotto usando le usuali relazioni fra somma e prodotto presenti in un anello, quali la proprietà distributiva del prodotto con la somma e la proprietà associativa del prodotto esterno. Per definizione, il prodotto esterno non è però commutativo ma anticommutativo; vale cioè la relazione seguente:
La proprietà anticommutativa implica che
I coefficienti dei però commutano fra loro e con i . Ad esempio, se
sono una 1-forma e una 2-forma su , il loro prodotto esterno è
Esiste una versione del prodotto esterno nel caso in cui e siano definiti come tensori. Tale definizione sfrutta il prodotto tensoriale , ma non è ad esso equivalente. Ad esempio, nel caso in cui e sono due 1-forme, è definita nel modo seguente
Nel caso generale la definizione è un po' più complicata:
Proprietà
Il prodotto wedge è associativo: per questo motivo si possono omettere le parentesi nella scrittura.
Il prodotto è distributivo rispetto alla somma (sia a destra che a sinistra):
L'anticommutatività usata nella definizione si estende al prodotto di due forme qualsiasi di tipo e , con un segno che però dipende dal prodotto :
Derivata di una forma differenziale
La derivata di una -forma è una -forma. Questa è chiamata a volte differenziale o derivata esterna. La derivata esterna di una -forma differenziale
è la -forma[2]
Proprietà
La derivata esterna di una 0-forma, cioè di una funzione differenziabile, coincide con il differenziale della funzione.
La derivazione esterna è un'operazione lineare. In altre parole,
dove però sono scalari e non funzioni. Rispetto al prodotto esterno si comporta nel modo seguente:
Infine, la proprietà forse più importante della derivazione è la seguente
che segue dal teorema di Schwarz.
Forme chiuse ed esatte
Una forma differenziale è chiusa se la sua derivata esterna è nulla:
Ad esempio, ogni forma avente coefficienti costanti è chiusa.
Una -forma è invece esatta se esiste una -forma tale che
La forma è detta primitiva di .
Le forme differenziali chiuse e le forme differenziali esatte sono rispettivamente nel nucleo e nell'immagine della derivata esterna.
Poiché , ogni forma esatta è chiusa. D'altra parte, esistono forme chiuse che non sono esatte: l'esistenza di queste forme dipende fortemente dalla topologia dell'aperto di definizione. A tal proposito, il lemma di Poincaré stabilisce che se è un sottoinsieme aperto e contraibile allora ogni p-forma differenziale chiusa e liscia definita su è una forma differenziale esatta per ogni intero .
Forme lineari
Una 1-forma differenziale
è chiusa se e solo se vale l'uguaglianza
per ogni .
Forme lineari e domini semplicemente connessi
La condizione di chiusura è di tipo locale (alcune uguaglianze devono essere verificate puntualmente), mentre quella di esattezza è di tipo globale (esistenza di una primitiva definita su tutto l'aperto ). La differenza fra le due condizioni dipende dalle differenze fra proprietà locali e globali dell'aperto , ovvero dalla sua topologia.
Se è semplicemente connesso, allora ogni 1-forma chiusa è esatta. Questo accade ad esempio se è la parte interna di un disco o di un più generale insieme convesso o stellato in . In questo caso le proprietà topologiche globali non sono molto differenti da quelle locali.
D'altra parte, la forma seguente
definita nell'aperto del piano
è chiusa ma non esatta. L'aperto non è semplicemente connesso: ha un "buco", ed il suo gruppo fondamentale è . Questa forma è nota come "vortice", per la particolare forma assunta dai vettori del campo vettoriale associato.
Forme lineari e analisi complessa
Le 1-forme nel piano sono uno strumento fondamentale dell'analisi complessa. Dopo aver identificato con il piano complesso , è possibile definire una 1-forma complessa
a partire da una qualsiasi funzione
definita su un aperto del piano complesso. Si tratta di un'usuale 1-forma, avente però come coefficienti delle funzioni a valori complessi invece che reali. Tale strumento si rivela utile per il fatto seguente: se è una funzione olomorfa su un aperto del piano, allora la forma risulta essere chiusa. Inoltre è esatta con primitiva se e solo se è anch'essa olomorfa con derivata complessa pari a .
In questo contesto risulta più semplice costruire una forma chiusa ma non esatta. La forma
definita sull'aperto
è chiusa (perché è olomorfa) ma non esatta: la funzione non ammette infatti una primitiva su tutto , ma solo in un suo qualsiasi sottoinsieme semplicemente connesso. In altre parole, il logaritmo complesso, naturale candidato come primitiva di , può essere definito solo localmente (oppure globalmente come funzione polidroma): ciò è a sua volta riconducibile al fatto che la funzione esponenziale complessa non è iniettiva.
Valgono le uguaglianze seguenti
che mostrano che l'esempio dato precedentemente di forma chiusa ma non esatta è (a meno di segno) la parte immaginaria di .
Integrazione di una forma differenziale
La proprietà più importante che caratterizza una -forma è il fatto che possa essere integrata su una qualsiasi sottovarietà differenziabile di dimensione dell'aperto su cui è definita. L'integrale di è indicato con il simbolo
ed il risultato di questa operazione è un numero reale.
Se , la forma è una funzione, è un'unione di punti e l'integrale di su è semplicemente la somma dei valori di assunti sui punti.
In generale la forma è del tipo
Se ha una parametrizzazione del tipo
con variabile in un dominio di , l'integrale è definito come[1]
dove
è il determinante dello jacobiano. Con questa definizione, il risultato dell'integrale non dipende dalla parametrizzazione scelta, a meno di segno. Per ottenere un segno univoco si deve fissare un'orientazione su e considerare solo le parametrizzazioni che preservano l'orientazione.
Se la sottovarietà è orientabile ma non ha una parametrizzazione globale (ad esempio, un toro in ), l'integrale su è definito come somma di integrali su parametrizzazioni locali disgiunte (mantenenti l'orientazione) che coprono a meno di un insieme di misura nulla.
Proprietà di base
Valgono le proprietà seguenti. Come tutti gli integrali, l'integrale su due oggetti disgiunti è la somma degli integrali su ciascuno:
L'integrale è inoltre lineare (i coefficienti sono costanti):
L'integrale cambia di segno se l'orientazione della varietà è modificata:[3]
Teorema di Stokes
Il teorema di Stokes esprime una relazione fondamentale fra la derivazione esterna e l'integrazione. Se è una forma con supporto compatto su una varietà con bordo compatta , vale la relazione
Il teorema di Stokes implica il fatto seguente: l'integrale di una -forma esatta su una varietà chiusa è nullo. In questo caso infatti il bordo non esiste e quindi il secondo termine è zero.
Integrale di linea
Una 1-forma è integrabile su una qualsiasi sottovarietà orientata di dimensione 1, cioè una curva . L'integrale di lungo può essere calcolato con la formula seguente:
e non dipende dalla particolare parametrizzazione della curva (cambia di segno se la parametrizzazione cambia l'orientazione). Nel caso in cui l'aperto sia contenuto nel piano , la forma è del tipo
e l'integrale si calcola nel modo seguente:
L'integrale di linea è uno strumento strettamente collegato alle nozioni di forma chiusa e esatta. Valgono infatti i fatti seguenti.
- Se è esatta, l'integrale di su una curva chiusa qualsiasi è nullo. Questo discende dal teorema di Stokes.
- Conseguentemente, se è esatta, l'integrale su una curva non chiusa dipende solo dai suoi estremi.
Ad esempio, la forma su non è esatta, poiché
per ogni curva avente indice di avvolgimento 1 con l'origine.
Note
Bibliografia
- Nicola Fusco, Paolo Marcellini, Carlo Sbordone, Lezioni di analisi matematica due, Zanichelli, 2020, ISBN 9788808520203
- Walter Rudin, Principi di analisi matematica, Milano, McGraw-Hill, 1991, ISBN 88-386-0647-1.
Voci correlate
- Derivata
- Integrale
- Curva (matematica)
- Integrale di linea
- Algebra di Grassmann
- Varietà (geometria)
- 1-forma
- Forma di volume
Altri progetti
Wikizionario contiene il lemma di dizionario «forma»
Collegamenti esterni
- (EN) Eric W. Weisstein, Differential k-Form, su MathWorld, Wolfram Research.
- (EN) Forma differenziale, su Encyclopaedia of Mathematics, Springer e European Mathematical Society.
| Controllo di autorità | Thesaurus BNCF 34083 · LCCN (EN) sh85037916 · BNF (FR) cb122737106 (data) · J9U (EN, HE) 987007552908705171 · NDL (EN, JA) 00560655 |
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