广义相对论笔记(五)微分形式
fengxiaot Lv4

这篇文章是微分形式,主要目标是为广义相对论的学习服务。参考的教材为梁灿彬的《微分几何与广义相对论》、陈斌的《广义相对论》梅加强的《流形与几何初步》,分别是物理系和数学系的教材。最近 A-SOUL 给我的打击很大,博客停更了一段时间。希望广义相对论的学习能帮助调整状态吧。

微分形式

微分形式

微分形式ωΓ(0,pTM)\omega \in \varGamma \left(\otimes^{0,p} TM\right)pp 阶协变张量场,如果任给向量 X1,XpX(M)X_1, \cdots X_p \in \mathfrak{X} (M) 以及 (1,2,,p)(1,2,\cdots,p) 的置换 π\pi ,均有

ω(Xπ(1),Xπ(2),,Xπ(p))=(1)sgn(π)ω(X1,Xp)\omega \left( X_{\pi(1)}, X_{\pi(2)}, \cdots, X_{\pi(p)} \right) = (-1)^{\operatorname{sgn}(\pi)} \omega(X_1, \cdots X_p)

其中 sgn(π)\operatorname{sgn}(\pi) 表示置换的符号,偶置换为 11 奇置换为 1-1 ,此时称 ω\omegapp反称协变张量pp微分形式pp 阶外形式的全体组成的张量丛记为 pTM\bigwedge^p T^*M,其截面记作 p(M)\bigwedge^p (M)

外形式在局部坐标系下的分量也具有反对称性质,设 {xμ}\{x^\mu\}MM 的局部坐标系,取 Xμ=xμX_\mu = \frac{\partial}{\partial x^\mu} ,则有

ω(xμπ(1),xμπ(2),,xμπ(p))=(1)sgn(π)ω(xμ1,xμ2,xμp)\omega \left( \frac{\partial}{\partial x^{\mu_{\pi(1)}}}, \frac{\partial}{\partial x^{\mu_{\pi(2)}}}, \cdots, \frac{\partial}{\partial x^{\mu_{\pi(p)}}} \right) = (-1)^{\operatorname{sgn}(\pi)} \omega \left(\frac{\partial}{\partial x^{\mu_1}}, \frac{\partial}{\partial x^{\mu_2}},\cdots \frac{\partial}{\partial x^{\mu_p}} \right)

ωμπ(1)μπ(2)μπ(p)=(1)sgn(π)ωμ1μ2μp\omega_{\mu_{\pi(1)}\mu_{\pi(2)}\cdots\mu_{\pi(p)}} = (-1)^{\operatorname{sgn}(\pi)} \omega_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p}

反称化与对称化

反称化变换

张量的反称化变换ωΓ(0,pTM)\omega \in \varGamma \left(\otimes^{0,p} TM\right)pp 阶协变张量场,定义 ω\omega 的反称化变换 Alt:Γ(0,pTM)Γ(pTM)\operatorname{Alt}: \varGamma \left(\otimes^{0,p} TM\right) \to \varGamma \left(\bigwedge^p T^*M\right) 如下:任给向量 X1,XpX(M)X_1, \cdots X_p \in \mathfrak{X} (M) ,规定

Alt(ω)(X1,Xp)=1p!π(1)sgn(π)ω(Xπ(1),Xπ(p))\operatorname{Alt} (\omega) (X_1, \cdots X_p) = \frac{1}{p!} \sum_\pi (-1)^{\operatorname{sgn}(\pi)} \omega (X_{\pi(1)}, \cdots X_{\pi(p)})

其中 π\pi 取遍 (1,2,,p)(1,2,\cdots,p) 的置换群中每个置换。

反称化变换 Alt\operatorname{Alt} 也称为交错化变换,具有性质:

  1. 反称化变换 Alt\operatorname{Alt} 能给出反称协变张量

  2. ω\omega 为反称协变张量当且仅当 Alt(ω)=ω\operatorname{Alt} (\omega) = \omega

  3. Alt\operatorname{Alt} 是幂等变换,即 Alt2=Alt\operatorname{Alt}^2 = \operatorname{Alt}

  4. Alt\operatorname{Alt} 是满射,像集为 MM 上所有 pp 阶反称协变张量,即 Im(Alt)=p(M)\mathrm{Im}(\operatorname{Alt}) = \bigwedge^p (M)

张量分量的反称化变换 张量反称化变换后的分量用中括号 [ ][ \ ] 标记,即

Alt(ω)μ1μ2μp=ω[μ1μ2μp]=1p!π(1)sgn(π)ωμπ(1)μπ(2)μπ(p)\operatorname{Alt} (\omega)_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p} = \omega_{[\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p]} = \frac{1}{p!} \sum_\pi (-1)^{\operatorname{sgn}(\pi)} \omega_{\mu_{\pi(1)}\mu_{\pi(2)}\cdots\mu_{\pi(p)}}

因此 ω\omega 为反称协变张量的充要条件也可以记为

ωμ1μ2μp=ω[μ1μ2μp]\omega_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p} = \omega_{[\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p]}

对称化变换

张量的对称化变换ωΓ(0,pTM)\omega \in \varGamma \left(\otimes^{0,p} TM\right)pp 阶协变张量场,定义 ω\omega 的对称化变换 Sym:Γ(0,pTM)Γ(pTM)\operatorname{Sym}: \varGamma \left(\otimes^{0,p} TM\right) \to \varGamma \left(\bigwedge^p T^*M\right) 如下:任给向量 X1,XpX(M)X_1, \cdots X_p \in \mathfrak{X} (M) ,规定

Sym(ω)(X1,Xp)=1p!πω(Xπ(1),Xπ(p))\operatorname{Sym} (\omega) (X_1, \cdots X_p) = \frac{1}{p!} \sum_\pi \omega (X_{\pi(1)}, \cdots X_{\pi(p)})

其中 π\pi 取遍 (1,2,,p)(1,2,\cdots,p) 的置换群中每个置换。

与反称化变换类似,对称化变换具有性质:

  1. 对称化变换 Sym\operatorname{Sym} 能给出对称协变张量
  2. ω\omega 为对称协变张量当且仅当 Sym(ω)=ω\operatorname{Sym} (\omega) = \omega
  3. Sym\operatorname{Sym} 是幂等变换,即 Sym2=Sym\operatorname{Sym}^2 = \operatorname{Sym}
  4. Sym\operatorname{Sym} 是满射,像集为 MM 上所有 pp 阶对称张量

张量分量的对称化变换 张量反称化变换后的分量用小括号 ( )(\ ) 标记,即

Sym(ω)μ1μ2μp=ω(μ1μ2μp)=1p!πωμπ(1)μπ(2)μπ(p)\operatorname{Sym} (\omega)_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p} = \omega_{(\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p)} = \frac{1}{p!} \sum_\pi \omega_{\mu_{\pi(1)}\mu_{\pi(2)}\cdots\mu_{\pi(p)}}

因此 ω\omega 为对称协变张量的充要条件也可以记为

ωμ1μ2μp=ω(μ1μ2μp)\omega_{\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p} = \omega_{(\mu_1 \mu_2 \cdots \mu_p)}

括号的性质

下面给出一些关于小括号和中括号的性质:

  1. 缩并时括号具有传染性:T[μ1μp]Sμ1μp=T[μ1μp]S[μ1μp]=Tμ1μpS[a1al]T_{\left[\mu_1 \cdots \mu_p\right]} S^{\mu_1 \cdots \mu_p}=T_{\left[\mu_1 \cdots \mu_p\right]} S^{\left[\mu_1 \cdots \mu_p\right]}=T_{\mu_1 \cdots \mu_p} S^{\left[a_{1} \cdots a_{l}\right]}
  2. 括号内的同种子括号可以随意增删:T(μ(νρ)σ)=T(μνρσ)T_{(\mu (\nu \rho) \sigma)} = T_{(\mu \nu \rho\sigma)}
  3. 括号内夹异种子括号得零:T[μ(νρ)σ]=0T_{[\mu (\nu \rho) \sigma]} = 0
  4. 异种括号缩并得零:T[μ1μp]S(μ1μp)=0T_{\left[\mu_1 \cdots \mu_p\right]} S^{\left(\mu_1 \cdots \mu_p\right)}=0

外积

外积ω,η\omega,\eta 分别为 p,qp,q 次微分形式,定义一个 p+qp+q 次的微分形式如下:

ωη=(p+q)!p!q!Alt(ωη)\omega \wedge \eta = \frac{(p+q)!}{p!q!} \operatorname{Alt} (\omega \otimes \eta)

映射 :p(M)×q(M)p+q(M)\wedge:\bigwedge^p (M) \times \bigwedge^q (M) \to \bigwedge^{p+q} (M) 称为外积运算。

外积 ωη\omega \wedge \eta 的分量为

(ωη)μ1μpν1νq=(p+q)!p!q!ω[μ1μpην1νq](\omega \wedge \eta)_{\mu_1 \cdots \mu_p \nu_1 \cdots \nu_q} =\frac{(p+q)!}{p!q!} \omega_{\left[\mu_1 \cdots \mu_p \right.} \eta_{\left. \nu_1 \cdots \nu_q \right]}

外积具有性质:

  1. 双线性:ω(η+θ)=ωη+ωθ\omega \wedge (\eta + \theta) = \omega \wedge \eta + \omega \wedge \theta(ω+η)θ=ωθ+ηθ(\omega + \eta) \wedge \theta = \omega \wedge \theta + \eta \wedge \thetaω(λη)=(λω)η=λ(ωη)\omega \wedge (\lambda \eta) = (\lambda \omega) \wedge \eta = \lambda (\omega \wedge \eta)
  2. 非交换律:ωη=(1)pqηω\omega \wedge \eta = (-1)^{pq} \eta \wedge \omega ,其中 ω,η\omega,\eta 分别为 p,qp,q 次微分形式
  3. 结合律:ω(ηθ)=(ωη)θ\omega \wedge (\eta \wedge \theta) = (\omega \wedge \eta) \wedge \theta
  4. 拉回映射分配律:ϕ(ωη)=ϕωϕη\phi^* (\omega \wedge \eta) = \phi^*\omega \wedge \phi^* \eta ,其中 ϕ:MN\phi:M \to N 为光滑映射,ω,η\omega,\eta 为流形 NN 上的微分形式

由此可以得到三个推论:

  1. 推论一:ω1ωn=(p1++pn)p1!pn!Alt(ω1ωn)\omega_1 \wedge \cdots \wedge \omega_n = \dfrac{\left( p_1 + \cdots + p_n \right)}{p_1 ! \cdots p_n! }\operatorname{Alt} (\omega_1 \otimes \cdots \otimes \omega_n) ,其中 ωi\omega_ipip_i 次微分形式

  2. 推论二:dxμ1dxμp=π(1)sgn(π)dxμπ(1)dxμπ(p)\mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^{\mu_p} = \sum\limits_\pi (-1)^{\operatorname{sgn}(\pi)} \mathrm{d} x^{\mu_{\pi(1)}} \otimes \cdots \otimes \mathrm{d} x^{\mu_{\pi(p)}}

  3. 推论三:设 ω\omegapp 次微分形式,则 ω\omega 可以表示为

    ω=ωμ1μpdxμ1dxμp\omega = \omega_{\mu_1\cdots \mu_p} \, \mathrm{d} x^{\mu_1} \otimes \cdots \otimes \mathrm{d} x^{\mu_p}

    ω=μ1<<μpωμ1μpdxμ1dxμp\omega = \sum_{\mu_1 < \cdots<\mu_p} \omega_{\mu_1\cdots \mu_p}\, \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge\mathrm{d} x^{\mu_p}

    ω=1p!ωμ1μpdxμ1dxμp\omega = \frac{1}{p!}\omega_{\mu_1\cdots \mu_p} \, \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge\mathrm{d} x^{\mu_p}

    其中重复指标代表每个指标都在 [0,dimM][0,\dim M] 之间自由取值并求和,不需要顾忌大小关系。

例:考虑 4 维流形上的 2-形式场 ω=ωμνdxμdxν\omega = \omega_{\mu\nu} \, \mathrm{d} x^{\mu} \otimes \mathrm{d} x^\nu ,其中 (ωμν)=(O2×2I2×2I2×2O2×2)(\omega_{\mu\nu}) = \begin{pmatrix} O_{2\times2} & -I_{2\times2}\\ I_{2\times2} & O_{2\times2} \end{pmatrix} 是辛矩阵,试用外积 \wedge 表示 ω\omega

首先将之展开,得到

ω=dx0dx2dx1dx3+dx2dx0+dx3dx1\omega = -\mathrm{d} x^0 \otimes \mathrm{d} x^2 -\mathrm{d} x^1 \otimes \mathrm{d} x^3 + \mathrm{d} x^2 \otimes \mathrm{d} x^0 + \mathrm{d} x^3 \otimes \mathrm{d} x^1

另一方面,由于 (ωμν)(\omega_{\mu\nu}) 反对称,因此 ω\omega 是二阶反称协变张量,可以用外积表示。

根据推论二,可得 dxμdxν=dxμdxνdxνdxμ\mathrm{d} x^\mu \wedge \mathrm{d} x^\nu = \mathrm{d} x^\mu \otimes\mathrm{d} x^\nu - \mathrm{d} x^\nu \otimes\mathrm{d} x^\muμ,ν\mu,\nu 为任意指标,则 ω\omega 可以写作

ω=dx2dx0+dx3dx1=μ<νωμνdxμdxν=12ωμνdxμdxν\omega = \mathrm{d} x^2 \wedge \mathrm{d} x^0 + \mathrm{d} x^3 \wedge \mathrm{d} x^1 = \sum_{\mu<\nu} \omega_{\mu\nu} \mathrm{d} x^\mu \wedge \mathrm{d} x^\nu = \frac{1}{2}\omega_{\mu\nu} \mathrm{d} x^\mu \wedge \mathrm{d} x^\nu

外微分

外微分ω\omegapp 次微分形式,定义外微分算符 d:p(M)p+1(M)\mathrm{d}: \bigwedge^p (M) \to \bigwedge^{p+1} (M) 如下:任给向量 X1,,Xp+1X(M)X_1, \cdots, X_{p+1} \in \mathfrak{X} (M) ,规定

dω(X1,Xp+1)=i=1p+1(1)i1Xiω(X1,,Xi,,Xp+1)+i<j(1)i1ω(X1,,Xi,,[Xi,Xj],,Xp+1)=i=1p+1(1)i1Xiω(X1,,Xi,,Xp+1)\begin{aligned} \mathrm{d} \omega \left(X_1, \cdots X_{p+1} \right) & = \sum_{i=1}^{p+1} (-1)^{i-1} X_i \omega \left(X_1, \cdots,\cancel{X_i}, \cdots,X_{p+1} \right) + \sum_{i<j} (-1)^{i-1} \omega \left( X_1, \cdots,\cancel{X_i},\cdots,\left[X_i,X_j\right],\cdots,X_{p+1}\right) \\ & = \sum_{i=1}^{p+1}(-1)^{i-1} \nabla_{X_i} \omega\left(X_{1}, \cdots, \cancel{X_i}, \cdots, X_{p+1}\right) \end{aligned}

其中 X\cancel{X} 表示删掉此项,\nabla 为任一无挠仿射联络。称 dω\mathrm{d} \omegaω\omega外微分

{xμ}\{x^\mu\}MM 的局部坐标系,则 dω\mathrm{d} \omega 的局部表示为

dω=μ1<<μpωμ1μpxνdxνdxμ1dxμp\mathrm{d} \omega = \sum_{\mu_1 < \cdots<\mu_p}\frac{\partial\omega_{\mu_1\cdots\mu_p}}{\partial x^\nu} \mathrm{d} x^\nu \wedge \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge\mathrm{d} x^{\mu_p}

(dω)μ1μp+1=i=1p+1(1)i1μiωμ1μi1μi+1μp+1(\mathrm{d} \omega)_{\mu_1\cdots\mu_{p+1}} = \sum_{i=1}^{p+1} (-1)^{i-1}\partial_{\mu_i} \omega_{\mu_1 \cdots\mu_{i-1} \mu_{i+1} \cdots \mu_{p+1}}

(dω)μ1μp+1=(p+1)[μ1ωμ2μp+1](\mathrm{d} \omega)_{\mu_1\cdots\mu_{p+1}} = (p+1) \nabla_{[\mu_1} \omega_{\mu_2\cdots\mu_{p+1}]}

如果 dω=0\mathrm{d} \omega = 0 ,则称 ω\omega闭形式;如果 ω=dη\omega = \mathrm{d}\eta ,则称 ω\omega恰当形式。恰当形式必为闭形式。所有 MM 上的 pp 次闭形式但非恰当形式构成一个群,称为 MMpp 次 de Rham 上同调群,记作 HdRp(M)H^p_{\mathrm{d} R} (M)

外微分具有性质:

  1. d(ωη)=dωη+(1)pωdη\mathrm{d} (\omega \wedge \eta)=\mathrm{d} \omega \wedge \eta+(-1)^{p} \omega \wedge \mathrm{d} \eta ,其中 ω\omegapp 次微分形式
  2. Poincare 引理:d20\mathrm{d}^2 \equiv 0
  3. 外微分和拉回映射可交换:d(ϕω)=ϕ(dω)\mathrm{d}(\phi^* \omega) = \phi^* (\mathrm{d} \omega) ,其中 ϕ:MN\phi:M \to N 为光滑映射,ω\omega 为流形 NN 上的微分形式
  4. 外微分和李导数可以交换:dLX=LXd\mathrm{d} \circ \mathcal{L}_X = \mathcal{L}_X \circ \mathrm{d} ,其中 XX 为流形上的切向量场

内乘

内乘ω\omegapp 次微分形式,XX 为切向量场,定义 p1p-1 次微分形式 ιXω\iota_X \omega 如下:任给 Y1,,Yp1X(M)Y_1,\cdots,Y_{p-1} \in \mathfrak{X} (M) ,规定

ιXω(Y1,,Yp1)=ω(X,Y1,,Yp1)\iota_X \omega \left( Y_1,\cdots,Y_{p-1}\right) = \omega \left(X,Y_1,\cdots,Y_{p-1}\right)

ι:Γ(TM)×p(M)p1(M)\iota: \varGamma (TM) \times \bigwedge^p (M) \to \bigwedge^{p-1} (M) 为内乘算子。

内乘具有以下性质:

  1. ιXιX=0\iota_X \circ \iota_X = 0

  2. ιfX(ω)=ιX(fω)=fιX(ω)\iota_{fX} (\omega) = \iota_X (f\omega) = f \iota_X (\omega) ,其中 ff 为光滑函数

  3. ιX(ωη)=ιXωη+(1)pωιXη\iota_{X}(\omega \wedge \eta)=\iota_{X}\omega \wedge \eta+(-1)^{p} \omega \wedge \iota_{X} \eta ,其中 ω\omegapp 次微分形式

  4. {xμ}\{x^\mu\}MM 的局部坐标系,则有

    ιxμ(dxμ1dxμp)={0,μ{μi}i=1p,(1)i1dxμ1dxμidxμp,μ=μi\iota_{\frac{\partial}{\partial x^\mu}}\left(\mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^{\mu_p}\right)= \begin{cases} 0, & \mu \notin\left\{\mu_i\right\}_{i=1}^{p}, \\ (-1)^{i-1} \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge \cancel{\mathrm{d}x^{\mu_i}}\wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^{\mu_p}, & \mu=\mu_{i}\end{cases}

  5. LX=dιX+ιXd\mathcal{L}_X = \mathrm{d} \circ \iota_X + \iota_X \circ \mathrm{d} ,要求作用对象是微分形式


流形上的定向

定向

同向MM 为微分流形,若局部坐标系 (Uα,φα)(U_\alpha,\varphi_\alpha)(Uβ,φβ)(U_\beta,\varphi_\beta) 满足在重叠区域 UαUβU_\alpha \cap U_\beta 内恒有

detJ(φβφα1)>0\operatorname{det} J\left(\varphi_{\beta} \circ \varphi_{\alpha}^{-1}\right) >0

则称这两个局部坐标系是同向的。

可定向流形MM 为微分流形,如果存在 MM 的局部坐标覆盖 {(Uα,φα)}\{(U_\alpha, \varphi_\alpha)\},使得当 UαUβU_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing 时,detJ(φβφα1)>0\operatorname{det} J\left(\varphi_{\beta} \circ \varphi_{\alpha}^{-1}\right) >0 ,则称流形 MM 是可定向的,{(Uα,φα)}\{(U_\alpha, \varphi_\alpha)\} 为一个定向坐标覆盖。如果不存在定向坐标覆盖,则称流形 MM 是不可定向的。

定向MM 为可定向微分流形,D\mathscr{D} 为一个定向坐标覆盖,如果每一个与 D\mathscr{D} 中局部坐标系都同向的局部坐标系均包含于 D\mathscr{D} 内,则称 D\mathscr{D}MM 的一个定向。由选择公理可知,任给 MM 的一个定向坐标覆盖,总存在一个包含此坐标覆盖的最大定向坐标覆盖,即定向。

定理:连通的可定向微分流形恰好有两个定向。

体积形式

体积形式 nn 维可定向流形 MM 上任一处处非零的 nn 形式场 Ω\Omega 称为一个体积形式

选定体积形式 Ω\Omega 后,可定向流形 MM 称为已定向的,每个局部坐标系 (Uα,φα)(U_\alpha,\varphi_\alpha) 的方向由 Ω(xα1,xα2,xαn)\Omega \left(\frac{\partial}{\partial x^1_\alpha}, \frac{\partial}{\partial x^2_\alpha},\cdots \frac{\partial}{\partial x^n_\alpha} \right) 的符号给出,因此体积形式 Ω\Omega 也称为流形 MM 的一个定向。若 Ω(xα1,xα2,xαn)>0\Omega \left(\frac{\partial}{\partial x^1_\alpha}, \frac{\partial}{\partial x^2_\alpha},\cdots \frac{\partial}{\partial x^n_\alpha} \right)>0 ,则称局部坐标系 (Uα,φα)(U_\alpha,\varphi_\alpha) 在此定向下是右手的,否则称为左手的。

两个体积形式 Ω1\Omega_1Ω2\Omega_2 相容,定义为

sgnΩ1(xα1,xα2,xαn)=sgnΩ2(xα1,xα2,xαn)αΓ\operatorname{sgn} \Omega_1 \left(\frac{\partial}{\partial x^1_\alpha}, \frac{\partial}{\partial x^2_\alpha},\cdots \frac{\partial}{\partial x^n_\alpha} \right) = \operatorname{sgn} \Omega_2 \left(\frac{\partial}{\partial x^1_\alpha}, \frac{\partial}{\partial x^2_\alpha},\cdots \frac{\partial}{\partial x^n_\alpha} \right) \qquad \forall \alpha\in \Gamma

相容的体积形式给出流形的同一个定向。

定理:nn 维连通微分流形可定向当且仅当 MM 上存在处处非零的 nn 次微分形式。

与度规适配的体积形式(M,g)(M, g) 为可定向黎曼流形,定义体积形式

ϵ=Gdx1dxn\epsilon = \sqrt{G} \mathrm{d} x^1 \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^n

其中 {xμ}\{x^\mu\}MM 的任一局部坐标系,g=gμνdxμdxνg = g_{\mu\nu} \mathrm{d} x^\mu \otimes \mathrm{d} x^\nu 为度规张量在局部坐标系下的表示,G=det(gμν)G = \det (g_{\mu\nu}) 为度量矩阵行列式。体积形式 ϵ\epsilon 称为与度规适配的体积形式,也称为 Levi-Civita 张量

/* 注:不能混淆 Levi-Civita 张量和 Levi-Civita 符号!后者仅仅是置换逆序数的简记而已 */

当流形 (M,g)(M, g) 为伪黎曼流形时,体积形式为

ϵ=Gdx1dxn\epsilon = \sqrt{|G|} \,\mathrm{d} x^1 \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^n

Levi- Civita 张量 ϵ\epsilon 具有以下性质

  1. 体积形式 ϵ\epsilon 的定义是整体的

  2. 若局部坐标基是标准正交的,则 ϵ\epsilon 为其对偶基的外积

  3. ϵμ1μnϵμ1μn=(1)sn!\epsilon^{\mu_1\cdots\mu_n}\epsilon_{\mu_1\cdots\mu_n} = (-1)^s n! ,其中 ss 为号差,即标准正交基下 gμνg_{\mu\nu}1-1 的个数,黎曼流形 s=0s=0


带边流形

带边流形H+n={x=(x1,x2,,xn)Rnxn0}\mathbb{H}_{+}^{n}=\left\{x=\left(x^{1}, x^{2}, \cdots, x^{n}\right) \in \mathbb{R}^{n} \mid x^{n} \ge 0\right\}Rn\R^n 的带边上半空间,其边界 H+n={xRnxn=0}\partial\mathbb{H}_+^n = \left\{x \in \mathbb{R}^{n} \mid x^{n} = 0\right\}n1n-1 维欧氏空间。设 MM 是具有 A2A_2T2T_2 性质的拓扑空间。如果存在 MM 的开覆盖 {Uα}αΓ\{U_\alpha\}_{\alpha \in \Gamma} 以及相应的连续映射族 φα:UαH+n\varphi_\alpha : U_\alpha \to \mathbb{H}_+^n ,使得

  1. 映射 φα:Uαφ(Uα)H+n\varphi_\alpha : U_\alpha \to \varphi\left(U_\alpha\right) \subset\mathbb{H}_+^n 为从 UαU_\alphaH+n\mathbb{H}_{+}^{n} 中开集的同胚
  2. UαUβU_\alpha \cap U_\beta \neq \varnothing 时,坐标转换映射 φβφα1\varphi_{\beta} \circ \varphi_{\alpha}^{-1}CrC^r 映射

则称 MMCrC^r 带边流形,其边界 M\partial M 定义为

M={pMαΓ,φα(p)H+n}\partial M = \left\{ p \in M \mid \exist \alpha \in \Gamma , \varphi_\alpha(p) \in \partial\mathbb{H}_+^n \right\}

其上的局部坐标转换映射为 φαUαM\varphi_\alpha|_{U_\alpha \cap \partial M} 去除 xnx^n 分量得到的限制在 UαMU_\alpha \cap \partial M 上的映射。因此当 MMnn 维带边流形时,其边界 M\partial M 为无边 n1n-1 维流形。

诱导定向 若体积形式 Ω=Ω(Uα)dxα1dxαn\Omega= \Omega(U_\alpha) \, \mathrm{d} x^1_\alpha \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^n_\alpha 代表 nn 维带边流形 MM 的定向,则 M\partial M 的诱导定向为

Ω=Ω(Uα)(1)ndxα1dxαn1\Omega^\prime = \Omega(U_\alpha) (-1)^n \, \mathrm{d} x^1_\alpha \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^{n-1}_\alpha

这样选取的定向满足

dxαnΩ=Ω(Uα)(1)n1dxαndxα1dxαn1=Ω- \,\mathrm{d} x^{n}_\alpha \wedge \Omega^\prime = \Omega(U_\alpha) (-1)^{n-1} \, \mathrm{d} x^{n}_\alpha \wedge \mathrm{d} x^1_\alpha \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^{n-1}_\alpha = \Omega


子流形

基本概念

映射的秩f:MNf : M → N 为两个微分流形之间的 CrC^r 映射,pMp \in Mq=f(p)N q = f(p) \in N。分别取 pp 附近的局部坐标系 (U,ϕ)(U, \phi) 以及 qq 附近的局部坐标系 (V,ψ)(V, \psi),令

rankpf=rankJ(ψfφ1)(φ(p))\operatorname{rank}_{p} f=\operatorname{rank} J\left(\psi \circ f \circ \varphi^{-1}\right)(\varphi(p))

称为 ffpp 处的

浸入、嵌入和淹没f:MmNnf : M^m → N^n 为微分流形之间的 CrC^r 映射。如果 rankpfm,pM\operatorname{rank}_{p} f \equiv m, \forall p \in M,则称 ffCrC^r 浸入(immersion) ;如果 ffCrC^r 浸入,且 ff 是从 MM 到其像 f(M)f(M) 上的同胚,则称 ffCrC^r 嵌入(embedding) ;如果 rankpfn,pM\operatorname{rank}_{p} f \equiv n, \forall p \in M,则称则称 ffCrC^r 淹没(submersion)

子流形M,NM, N 为微分流形,且作为集合,MNM \subset N 。如果包含映射 i:MNi : M \to N 为浸入,则称 MMNN 的浸入子流形或子流形;如果包含映射 i:MNi : M → N 为嵌入,则称 MMNN 的正则子流形。

超曲面

超曲面i:ΣMi:\Sigma \to M 是光滑嵌入映射,且 ii 是单射,dimΣ=dimM1\dim \Sigma = \dim M -1 ,则称 i(Σ)Mi(\Sigma) \subset MdimM1\dim M-1 维超曲面,也称为 11 维超曲面,简称超曲面 (hypersurface) 。

总可以找到一个光滑函数 S(x)S(x), 使得在给定的超曲面上

S(x)=σS(x) = \sigma

是一个常数。因此,余 1 维超曲面 Σ\Sigma 也可以用流形 MM 上的一个常函数 SS 来定义。对不同的常数 σ\sigma,上式定义的超曲面也不同,它们共同形成一个余 1 维超曲面族。事实上,在流形上某点的邻域上选定一个局域坐标系后,使得某个给定的坐标分量的值为常数的点的集合就是流形上的余 1 维超曲面,称为坐标超曲面。而整个邻域可以看成是由上述余 1 维超曲面族"扫出来"的。这个图像在几何学里叫做分层 (foliation) 。

切矢量 超曲面的切丛 WW 定义为所有超曲面上曲线的切矢量的集合,或称曲线的切矢亦切于超曲面。

法余矢 对于由 S(x)=σS(x) = \sigma 给定的超曲面,余切矢量 dS\mathrm{d}S 定义为超曲面的法余矢 (normal covector) ,写成坐标形式是

nμ=μSn_\mu = \nabla_\mu S

对于超曲面上任意一条曲线的切矢量 TT ,法余矢作用于其上的结果是

dS(T)=TS=nμTμ=0\mathrm{d}S(T) = \nabla_T S = n_\mu T^\mu = 0

这是因为 SS 沿超曲面上任意曲线平行移动都是不变的,超曲面本身就是利用 S(x)=σS(x) = \sigma 定义的!因此,法余矢与超曲面的切矢正交。

法矢量nn 维流形 MM 上定义度规 gg ,则法矢量定义为 nμ=gμνnνn^\mu = g_{\mu\nu} n^\nu,或

nμ=μSn^\mu = \nabla^\mu S

需要注意的是,法矢量并不一定就不含有任何切于超曲面的成分,甚至有可能发生法矢量切于超曲面的情况,即 nμWn^\mu \in W

矢量 TμT^\mu 是否切于超曲面,判定依据是 nμTμn_\mu T^\mu 是否等于 00 ;因此 nμn^\mu 是否切于超曲面,判定依据也是 nμnμ=gμνnμnν=0n_\mu n^\mu = g_{\mu\nu} n^\mu n^\nu =0 。对于黎曼几何,由于度规是正定的,只有 nn 为零矢量才有可能;然而对于伪黎曼几何,尤其是物理中常见的 Minkowski 时空,由于度规分量有负数存在,gμνnμnνg_{\mu\nu} n^\mu n^\nu 完全可以为正数、负数或零,取决于 nμn^\mu 是类时,类空还是类光。定义

  • 类时超曲面:超曲面上的法矢量 nμn^\mu 处处为类空的,即 gμνnμnν<0g_{\mu\nu} n^\mu n^\nu<0
  • 类空超曲面:超曲面上的法矢量 nμn^\mu 处处为类时的,即 gμνnμnν>0g_{\mu\nu} n^\mu n^\nu>0
  • 类光超曲面:超曲面上的法矢量 nμn^\mu 处处为类光的,即 gμνnμnν=0g_{\mu\nu} n^\mu n^\nu=0

Frobenius 定理:超曲面上的法矢量满足

n[μνnρ]=0n_{[\mu} \nabla_\nu n_{\rho ]} = 0

坐标转换

设流形 MM 上有坐标卡 (U,φ)(U,\varphi) 和局部坐标 {xμ}\{x^\mu\}Σ\Sigma 上有局部坐标系 (Vα,ψα)(V_\alpha,\psi_\alpha) 和局部坐标 {ya}\{y^a\},则可引入

eaμ=xμyaeμa=yaxμe^\mu_a = \frac{\partial x^\mu}{\partial y^a} \qquad e_\mu^a = \frac{\partial y^a}{\partial x^\mu}

满足 eaμeμb=δabe^\mu_a e_\mu^b = \delta_a^b 。注意 eaμe^\mu_a 是向量 ea=yae_a = \frac{\partial}{\partial y^a} 的第 μ\mu 个分量。向量第 μ\mu 分量的定义就是其作用在第 μ\mu 个坐标函数上的结果。

由于 ea=yae_a = \frac{\partial}{\partial y^a} 切于超曲面,因此我们还有

nμeaμ=0n_\mu e_a^\mu = 0

诱导度规

除非特殊声明,一般认为法向量是归一化的。记 gμνnμnν=ϵg_{\mu\nu} n^\mu n^\nu = \epsilon ,其中 ϵ\epsilon 取值 +1,1+1,-100 ,分别对应类时、类空和类光法向量。

诱导度规 超曲面上的诱导度规定义为

hab=gabϵnanbh_{ab} = g_{ab} - \epsilon n_a n_b

这使得对于任何超曲面的切矢 TaT^a,都有

habTaTb=gabTaTbϵ(naTa)(nbTb)=gabTaTbh_{ab} T^a T^b = g_{ab} T^a T^b -\epsilon (n_a T^a)(n_b T^b) = g_{ab} T^a T^b

即诱导度规作用的结果等价于将流形 MM 上的度规 gμνg_{\mu\nu} 限制在超曲面上得到的 gabg_{ab} 作用的结果。这之间的关系为

gab=eaμebνgμνhμν=eμaeνbhabg_{ab} = e_a^\mu e^\nu_b g_{\mu\nu} \qquad h_{\mu\nu} = e_\mu^a e_\nu^b h_{ab}

例:在 R3\mathbb{R}^3 中有球面 S2:x2+y2+z2=R2S^2: x^2 + y^2 + z^2 = R^2,定义球面上的坐标 (θ,ϕ)(\theta,\phi)

x=Rsinθcosϕ, y=Rsinθsinϕ, z=Rcosθx = R \sin \theta \cos \phi,\ y=R\sin\theta\sin\phi, \ z=R\cos \theta

S2S^2 上任意一点的法矢和 S2S^2 诱导度规 habh_{ab} .

解:直接对 S2S^2 进行微分,得到法余矢量

2xdx+2ydy+2zdz=02x \mathrm{d}x + 2y\mathrm{d}y + 2z\mathrm{d}z = 0

nμ=2xμn_\mu = 2x_\mu,归一化后得到 nμ=xμRn_\mu = \frac{x_\mu}{R},以及 nμ=xμRn^\mu = \frac{x^\mu}{R}nμnμ=1n_\mu n^\mu =1

R3\mathbb{R}^3 上的度规为

gxx=1, gyy=1, gzz=1gxy=gyx=gzx=gxz=gyz=gzy=0\begin{gathered} g_{xx} = 1, \ g_{yy}=1,\ g_{zz}=1 \\ g_{xy}= g_{yx} = g_{zx} = g_{xz} = g_{yz} = g_{zy} = 0 \end{gathered}

以及坐标转换系数

eθx=Rcosθcosϕeϕx=Rsinθsinϕeθy=Rcosθsinϕeϕy=Rsinθcosϕeθz=Rsinθ  eϕz=0\begin{aligned} e_\theta^x &= R \cos\theta\cos\phi \qquad e_\phi^x = - R \sin\theta\sin\phi \\ e_\theta^y &= R \cos\theta\sin\phi \qquad\, e_\phi^y = R \sin\theta\cos\phi \\ e_\theta^z &= - R\sin\theta \qquad \quad \ \ \, e_\phi^z = 0 \end{aligned}

因此有

gθθ=eθμeθνgμν=R2gϕϕ=eϕμeϕνgμν=R2sin2θgθϕ=gϕθ=0nθ=eθμnμ=0nϕ=eϕμnμ=0\begin{gathered} g_{\theta\theta} = e_\theta^\mu e_\theta^\nu g_{\mu\nu} = R^2 \qquad g_{\phi\phi} = e_\phi^\mu e_\phi^\nu g_{\mu\nu} = R^2 \sin^2 \theta \qquad g_{\theta\phi} = g_{\phi\theta} = 0 \\ n_\theta = e_\theta^\mu n_\mu = 0 \qquad n_\phi = e_\phi^\mu n_\mu = 0 \end{gathered}

以及诱导度规

hab=gabϵnanb=gabh_{ab} = g_{ab}-\epsilon n_a n_b =g_{ab}

法余矢量和法矢量在 S2S^2 中的坐标分量都是 00 ,这说明法矢量正交于超曲面,不含任何切于超曲面的成分。


流形上的积分

积分的定义

积分MMnn 维带边流形,并在 MM 上给定了一个用以定向的体积形式 Ω\Omega 。设 ω\omegaMM 上具有紧支集的 nn 次微分形式,在某局部坐标系 (Uα,φα)(U_\alpha,\varphi_\alpha) 下表示为 ω=ωαdxα1dxαn\omega = \omega_\alpha \mathrm{d} x^1_\alpha \wedge \cdots \wedge \mathrm{d} x^n_\alpha,则 ω\omega 在流形的开集 UαU_\alpha 上的积分定义为

Uαω=sgn(ω)Uαφα(Uα)ωαφα1(x1,,xn)dx1dxn\int_{U_\alpha} \omega = \operatorname{sgn}(\omega)|_{U_\alpha} \int_{\varphi_\alpha (U_\alpha)} \omega_\alpha \circ\varphi^{-1}_\alpha (x_1,\cdots,x_n)\, \mathrm{d}x_1 \cdots\mathrm{d}x_n

其中 sgn(ω)Uα\operatorname{sgn}(\omega)|_{U_\alpha} 表示 ω\omega 与局部坐标系的定向是否相容。若 ω(xα1,xα2,xαn)\omega \left(\frac{\partial}{\partial x^1_\alpha}, \frac{\partial}{\partial x^2_\alpha},\cdots \frac{\partial}{\partial x^n_\alpha} \right)Ω(xα1,xα2,xαn)\Omega \left(\frac{\partial}{\partial x^1_\alpha}, \frac{\partial}{\partial x^2_\alpha},\cdots \frac{\partial}{\partial x^n_\alpha} \right) 的正负相同,则 sgn(ω)Uα\operatorname{sgn}(\omega)|_{U_\alpha}+1+1 ,否则取 1-1

推论:上述积分的定义和局部坐标的选取无关。即若 suppω\operatorname{supp} \omega 含于另一同向局部坐标系 (Uβ,φβ)(U_\beta,\varphi_\beta) 中,则在重叠区域 UαUβU_\alpha \cap U_\beta 中,积分在两种局部坐标系下计算将给出相同结果。

下面将积分推广到流形 MM 上。取从属于 suppω\operatorname{supp} \omega 的一个有限局部坐标覆盖的单位分解 {φα}\left\{ \varphi_\alpha \right\},定义

Mω=αMφαω\int_{M} \omega=\sum_{\alpha} \int_{M} \varphi_{\alpha} \cdot \omega

称为 ω\omega 在流形 MM 上的积分。

推论:上述积分的定义和开覆盖及单位分解的选取无关。

Stokes积分公式

无边流形上的积分MMnn 维定向无边流形,ω\omega 为具有紧支集的 n1n-1 次微分形式,则

Mdω=0\int_M \mathrm{d} \omega = 0

Stokes 积分公式MMnn 维定向带边流形,ω\omega 为具有紧支集的 n1n-1 次微分形式,则

Mdω=Miω=Mω\int_{M} \mathrm{d} \omega=\int_{\partial M} i^{*} \omega=\int_{\partial M} \omega

其中 i:MMi : \partial M \to M 为包含映射,M\partial M 上的定向为诱导定向。

散度与高斯定理

散度MMnn 维定向带边流形,Ω\Omega 为一个体积形式。如果 XXMM 上的光滑向量场,则 LXΩ\mathcal{L}_X \Omega 可以写为

LXΩ=div(X)Ω\mathcal{L}_X \Omega = \operatorname{div} (X) \, \Omega

系数 divX\operatorname{div} X 称为 XX散度,映射 div:X(M)C(M)\operatorname{div} : \mathfrak{X}(M) \to C^\infty (M) 称为散度算子。

高斯定理MMnn 维定向带边流形,Ω\Omega 为体积形式,XXMM 上具有紧支集的光滑向量场,则

Mdiv(X)Ω=MιXΩ\int_{M} \operatorname{div}(X) \, \Omega=\int_{\partial M} \iota_{X} \Omega


Hodge理论

Hodge内积

逐点内积 在黎曼流形 (M,g)(M,g) 上,设 {e1,,en}\{e_1,\cdots,e_n\} 为局部正交标架场,{e1,,en}\{e^1,\cdots,e^n\} 为其对偶余切标架场,设 T,ST,S 均为 (p,q)(p,q) 型张量场,在局部正交标架场下分别表示为

T=Tμ1μnν1νne1ene1enT = T^{\mu_1 \cdots \mu_n}{_{\nu_1 \cdots \nu_n}} e_1 \otimes \cdots \otimes e_n \otimes e^1 \otimes \cdots \otimes e^n

S=Sμ1μnν1νne1ene1enS = S^{\mu_1 \cdots \mu_n}{_{\nu_1 \cdots \nu_n}} e_1 \otimes \cdots \otimes e_n \otimes e^1 \otimes \cdots \otimes e^n

则它们之间的逐点内积定义为

T,S=1(p+q)!Tμ1μnν1νnSμ1μnν1νn\langle T,S \rangle = \frac{1}{(p+q)!} T^{\mu_1 \cdots \mu_n}{_{\nu_1 \cdots \nu_n}} S^{\mu_1 \cdots \mu_n}{_{\nu_1 \cdots \nu_n}}

两个向量场 X,YX,Y 的逐点内积正是用度规定义的内积

X,Y=gμνXμYν\langle X,Y \rangle = g_{\mu\nu} X^\mu Y^\nu

两个 pp 次微分形式 ω,η\omega,\eta 的逐点内积为

ω=μ1<μpωμ1μpdxμ1dxμpη=μ1<μpημ1μpdxμ1dxμp\omega = \sum_{\mu_1 < \mu_p} \omega_{\mu_1\cdots\mu_p}\, \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge\mathrm{d} x^{\mu_p} \qquad \eta= \sum_{\mu_1 < \mu_p} \eta_{\mu_1\cdots\mu_p}\, \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge\mathrm{d} x^{\mu_p}

ω,η=μ1<μpωμ1μpημ1μp\langle \omega,\eta \rangle = \sum_{\mu_1 < \mu_p} \omega_{\mu_1\cdots\mu_p} \eta_{\mu_1\cdots\mu_p}

Hodge内积/整体内积(M,g)(M,g) 为黎曼流形,ϵ\epsilon 为与度规适配的体积形式,在微分形式空间 (M)\bigwedge(M) 上定义内积 (,)(\cdot,\cdot) 如下:对于同次数的微分形式 ω,η\omega,\eta ,其内积为

(ω,η)=Mω,ηϵ(\omega,\eta) = \int_M \langle \omega,\eta \rangle \epsilon

对于异次数的微分形式,规定其内积为 00 ,则 (,)(\cdot,\cdot) 称为Hodge内积整体内积

Hodge星算子

Hodge星算子

Hodge 星算子nn 维伪黎曼流形 (M,g)(M,g) 上定义映射 :p(M)np(M)*: \bigwedge^p (M) \to \bigwedge^{n-p} (M)

ωμ1μnp=1p!ων1νpgν1ρ1gνpρpϵρ1ρpμ1μnp{^*}\omega_{\mu_1\cdots\mu_{n-p}} = \frac{1}{p!} \omega_{\nu_1\cdots\nu_p}g^{\nu_1 \rho_1}\cdots g^{\nu_p \rho_p} \epsilon_{\rho_1\cdots\rho_p \mu_1\cdots\mu_{n-p}}

ω=1(np)!(ω)μ1μnpdxμ1dxμnp^* \omega = \frac{1}{(n-p)!} ({^*}\omega)_{\mu_1\cdots\mu_{n-p}} \, \mathrm{d} x^{\mu_1} \wedge \cdots \wedge\mathrm{d} x^{\mu_{n-p}}

* 称为 Hodge 星算子ω^* \omega 称为 ω\omega对偶微分形式

Hodge 星算子 * 具有以下性质:

  1. 1=ϵ*1 = \epsilonϵ=1* \epsilon =1
  2. ω=(1)p(np)ω** \omega = (-1)^{p(n-p)} \omega
  3. ω,η=ω,η\langle * \omega, * \eta\rangle=\langle\omega, \eta\rangle
  4. ωη=ω,ηϵ\omega \wedge * \eta=\langle\omega, \eta\rangle \epsilon

三维Euclid空间

三维Euclid空间中,度规张量是最基本的 δμν\delta_{\mu\nu} ,正交标架就是 {dx,dy,dz}\{\mathrm{d} x,\mathrm{d} y,\mathrm{d}z \} ,体积形式为 ϵ=dxdydz\epsilon = \mathrm{d} x \wedge \mathrm{d} y \wedge \mathrm{d}z ,从而可得

dx=dydz*\mathrm{d} x = \mathrm{d}y \wedge \mathrm{d} z

dy=dzdx*\mathrm{d}y= \mathrm{d}z \wedge \mathrm{d} x

dz=dxdy*\mathrm{d} z = \mathrm{d} x\wedge \mathrm{d} y

Minkowski空间

Minkowski 空间是伪黎曼流形,我们采用号差为 2-2 的度规张量形式 (+,,,)(+,-,-,-) 以及 (t,x,y,z)(t,x,y,z) 顺序的标架,则体积形式为 ϵ=dtdxdydz\epsilon = \mathrm{d} t \wedge \mathrm{d} x \wedge \mathrm{d} y \wedge \mathrm{d}z ,从而可得

(dxμ)=ημλελνρσ13!dxνdxρdxσ* \left(\mathrm{d}x^{\mu}\right)=\eta^{\mu \lambda} \varepsilon_{\lambda \nu \rho \sigma} \frac{1}{3 !} \mathrm{d}x^{\nu} \wedge \mathrm{d}x^{\rho} \wedge \mathrm{d}x^{\sigma}

(dxμdxν)=ημκηνλεκλρσ12!dxρdxσ* \left(\mathrm{d}x^{\mu} \wedge \mathrm{d}x^{\nu}\right)=\eta^{\mu \kappa} \eta^{\nu \lambda} \varepsilon_{\kappa \lambda \rho \sigma} \frac{1}{2 !} \mathrm{d}x^{\rho} \wedge \mathrm{d}x^{\sigma}

余微分算子

余微分算子 定义余微分算子 δ:p(M)p1(M)\delta: \bigwedge^p (M) \to \bigwedge^{p-1} (M)

δ=(1)n(p1)+1d\delta = (-1)^{n(p-1)+1} \star \mathrm{d} \, \star

pp 次微分形式映射为 p1p-1 次微分形式。

定理:余微分算子 δ\delta 是外微分算子 d\mathrm{d} 在 Hodge 内积下的伴随算子,即

(dω,η)=(ω,δη)(\mathrm{d}\omega,\eta) = (\omega,\delta\eta)


上同调

de Rham上同调群 pp 次de Rham上同调群 HdRp(M)H^p_{\mathrm{d} R} (M)MM 上的 pp 次闭形式但非恰当形式构成的集合,即

HdRp(M)={ωΩq(M)dω=0}/{dηηΩq1(M)}H^p_{\mathrm{dR}} (M) = \left\{ \omega \in \Omega^q(M) \mid \mathrm{d}\omega = 0 \right\} / \left\{ \mathrm{d}\eta \mid \eta \in \Omega^{q-1}(M)\right\}

Poincaré引理p=0p=0 时,HdR0(Rn)=RH^0_{\mathrm{dR}} (\mathbb{R}^n) = \mathbb{R} ;当 1pn1\le p \le n 时,HdRp(Rn)={0}H^p_{\mathrm{dR}} (\mathbb{R}^n)=\{0\}

推论:设 MM 为微分流形,则 HdRp(R×M)=HdRp(M),p0H^p_{\mathrm{dR}} ( \mathbb{R} \times M) = H^p_{\mathrm{dR}} (M),\, \forall p \ge 0