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differential forms

2019-11-06 09:06:56
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供稿:网友

Tutorial comes from https://www.youtube.com/watch?v=jFe6dMnpQho 0-forms : f:R3→R 1-forms : α=adx+bdy+cdz=w<a,b,c> 2-forms : β=ady∧dz+bdz∧dx+cdx∧dy=Φ<a,b,c> 3-forms : γ=gdx∧dy∧dz

1 . suppose α1, α2 both are 1-forms α1∧α2=−α2∧α1

2 . wA⃗ ∧wB⃗ =ΦA⃗ ×B⃗ 

3 . A⃗ ×(B⃗ ×C⃗ )≠(A⃗ ×B⃗ )×C⃗  but wA⃗ ∧(wB⃗ ∧wC⃗ )=(wA⃗ ∧wB⃗ )∧wC⃗ 

4 . ΦA⃗ ∧wB⃗ =(A⃗ ⋅B⃗ )dx∧dy∧dz

5 . wA⃗ ∧wB⃗ ∧wC⃗ =ΦA⃗ ×B⃗ ∧wC⃗ =(A⃗ ×B⃗ )⋅C⃗  dx∧dy∧dz

6 . Hodge duality

∗wF⃗ =ΦF⃗  ∗ΦF⃗ =wF⃗  ∗(g dx∧dy∧dz)=g ∗(f)=f dx∧dy∧dz

p↦∗(3−p)form

7 . α=∑iαidxi 8 . dα=∑idαi∧dxi

d:p-forms↦(p+1)-forms

9 . ex 0 : f=x2+yz 1 : df=2xdx+zdy+ydz=w<2x,z,y>=w∇f

所以 df=w∇f

10 . ex

α=yzdx−zdy+z2dz dα=d(yz)∧dx−dz∧dy+d(z2)∧dz=(zdy+ydz)∧dx−dz∧dy+2zdz∧dz=dy∧dz+ydz∧dx−zdx∧dy=Φ<1,y,−z>

∇×<yz,−z,z2>=det∣∣∣∣∣x^∂xyzy^∂y−zz^∂zz2∣∣∣∣∣=<1,y,−z>

所以

dwF⃗ =Φ∇×F⃗ 

11 .

β=x2dy∧dz+(y+z)dz∧dx+zdx∧dy dβ=2xdx∧dy∧dz+(dy+dz)∧dz∧dx+dz∧dx∧dy=(2x+1+1) dx∧dy∧dz

dΦ<x2,y+z,z>=(2x+1+1) dx∧dy∧dz=∇⋅<x2,y+z,z> dx∧dy∧dz

所以 dΦF⃗ =(∇⋅F⃗ ) dx∧dy∧dz

12 . Identities

假设 α 为 p-form(包括0-form)

d(α+β)=dα+dβ d(α∧β)=dα∧β+(−1)pα∧dβ d(dα)=0

13 . d2=0

对于α为0-form d(df)=0 d(w∇f)=0 Φ∇×∇f=0⟹∇×∇f=0

对于α为1-form d(dwF⃗ )=0 dΦ∇×F⃗ =0 ∇⋅(∇×F⃗ ) dxdydz=0⟹∇⋅(∇×F⃗ )=0

14 .

d(wF⃗ ∧wG⃗ )=dwF⃗ ∧wG⃗ −wF⃗ ∧dwG⃗  dΦF⃗ ×G⃗ =Φ∇×F∧wG⃗ −wF⃗ ∧Φ∇×G⃗  ∇⋅(F⃗ ×G⃗ )dx∧dy∧dz=((∇×F⃗ )⋅G⃗ −F⃗ ⋅(∇×G⃗ ))dx∧dy∧dz ⟹∇⋅(F⃗ ×G⃗ )=((∇×F⃗ )⋅G⃗ −F⃗ ⋅(∇×G⃗ ))

15 . integral

0-form : ∫{a,b}f=f(b)−f(a) 1-form : ∫CwF⃗ =∫CF⃗ ⋅dr⃗  2-form : ∫SΦF⃗ =∬SF⃗ ⋅dS⃗  3-form : ∫Eg dx∧dy∧dz=∭Eg dxdydz

16 . Generalized stokes’ theorems

对于任何 p-form α ∫Mdα=∫∂Mα

对于 M=C ∫Cdf=∫{a,b}f=f(b)−f(a)(=∫Cw∇f=∫C∇f⋅dr⃗ )

对于 M=S

∫∂SwF⃗ =∫SdwF⃗ =∫SΦ∇×F⃗ 

∫∂SF⃗ ⋅dr⃗ =∬S(∇×F⃗ )⋅dS⃗ 

对于 M=E ∫∂EΦF⃗ =∫EdΦF⃗  ∫∂EF⃗ ⋅dS⃗ =∭E(∇⋅F⃗ ) dxdydz


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