Приклади і правила дійЗовнішні диференціальні форми порядку р задаються виразами виду , де . Додавання таких виразів проходить покоефіцієнтно: треба додати коефіцієнти з одинаковими індексами . Таким чином, якщо то Аналогічно виконується множення на дійсні числа. Крім того, всякий вираз виду (R) при являє собою нульову форму, і диференціальна форма рівна нулю тоді і тільки тоді, якщо вона являється лінійною комбінацією виразів такого виду. Тому наведену вище 2-форму можна записати у вигляді Із наведених міркувань випливають слідуючі правила: 1) рівність має місце в тому і лише в тому випадку, якщо для деяких . 2) При р>n завжди =0. 3) , якщо всі індекси попарно різні і набір являється перестановкою набору . При цьому а позначає число транспозицій, необхідних, щоб перевести набір в набір . Щоб перемножити два «одночлена» і , необхідно записати їх один за одним и між ними поставити знак : . Зовнішній добуток довільних диференціальних форм вичисляється за дистрибутивним законом. Наприклад, в : Порядок, в якому записані множники, є суттєвим. Тепер дії над диференціальними формами можна виконувати, не посилаючись на визначення. Треба тільки враховувати вказані вище правила разом з їх наслідками (строго притримуючись правила, що вирази виду (R) рівні нулю). Зараз ми хочемо навести приклади диференціальних форм в прострорах R2 і R3, причому нас будуть особливо цікавити умови, при яких форма, яку ми розглядаємо, є замкнутой або точною. n=2, p=1. Нехай -диференційована 1-форма на площині. Вона є точною тільки в тому випадку, якщо існує така двічі диференційована функція , що , . На основі теореми 4.4 в цьому випадку форма повинна бути замкнутою: , тобто Тому в якості необхідної умови точності форми ми отримуємо: Це умова інтегрованості. Наведене тут доведення відрізняється від старого лише позначеннями. Пфаффові форми в просторі R2 давно застосовуються в термодинаміці. Проста термодинамічна система (наприклад, ідеальний газ) характеризується, скажемо, об’ємом V и температурою Т. Цій системі відповідають і деякі інші фізичні величини, одні з яких описуються функціями від V і Т, а інші — диференціальними формами: тиск р, внутрішня енергія Е, існування якої слідує з першого закону термодинаміки, і, крім того, дві диференціальні форми: нескінченно мала робота і нескінченно мала кількість тепла . В книгах по фізиці позначають символом , а - символом . Рівняння системи задають вид функцій р і Е: І. р = р(V, Т). II. Е = Е(V, Т). Так як — точна форма, то III. Накінець, з другого закону термодинаміки випливає співвідношення ІV. , так як є диференціал ентропії. Написані вище чотири рівняння встановлені на основі фізичних роздумів. Вивчення наслідків, які можна з них вивести, природньо, являється задачою чисто математичною. В якості простого застосування правила ми покажемо, що між двума рівняннями стану системи виконується важливе співвідношення. Маємо Відповідно, V. . Наприклад, у газу ван дер Ваальса, який підпорядковується рівнянню стану де енергія на основі рівняння V повинна залежати від об’єму. Насправді, якби , то ми мали б . Але Той факт, що , можна, наприклад, встановити за допомогою дослідження Джоуля-Томсона продавлюваня газу через пористу перегородку і, таким чином, проконтролювати справедливість розглядуваного рівняння стану. n=2, p=1. Кожна диференційована 2-форма в К2 являється замкнутою, так як її зовнішній диференціал, будучи 3-формою, рівний нулю. Якщо форма точна, тобто , де , то для коефіцієнтів а і ми отримаємо диференціальне рівняння з частинними похідними . n=3, р = 1. Пфаффова форма в R3 являється точною в тому і лише в тому випадку, якщо існує двічі диференційована функція f, у якої . Наприклад, для форми , де , і М – постійні і маємо , де . Форма (при правильному виборі сталих) описує ньютонівську силу гравітації, а функція є гравітаційним потенціалом. Замість фізики пишуть K=-grad(-f), де K - векторне поле. Для того щоб 1-форма могла бути точною (мовою фізики,— щоб векторне поле К було потенціальним), повинна виконуватися рівність . Ця умова приводить до слідуючих трьох рівнянь: Якщо К знову позначає векторне поле , то в фізиці ці три рівняння записують у вигляді одного векторного . Ми бачимо тут і побачимо нижче, що у векторному аналізі використовуються занадто багато символів. n=3, р = 1. Форма є зовнішнім диференціалом пфаффових форм в тому випадку, коли по-іншому кажучи, якщо a=rot b, де і . При цьому називається векторним потенціалом поля . Умова інтегрованості , тобто в фізиці записують у вигляді div =0. n=3, р = 1. Твердження, що для і приводить до рівняння з частинними похідними Тобто div b = a.
|