Kurs:Differentialgeometrie (Osnabrück 2023)/Vorlesung 15

Wir kommen nun zur Integrationstheorie auf Mannigfaltigkeiten. Ausgangspunkt dafür ist, dass auf einer Mannigfaltigkeit der Dimension ${}n$ eine ${}n$-Form gegeben ist. Bei einer offenen Teilmenge ${}V\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ mit den Koordinaten ${}x_{1},\ldots ,x_{n}$ entspricht dabei die Integration bezüglich der Form ${}dx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}$ der Integration bezüglich des Lebesgue-Maßes. Bei einer Mannigfaltigkeit muss man die Form und das zugehörige Maß „zusammenkleben“.

Positive Volumenform auf einer Mannigfaltigkeit

In der folgenden Definition bezeichnen wir zu einer Karte ${}\alpha \colon U\rightarrow V$ und einer Differentialform ${}\omega$ auf ${}U$ die nach ${}V$ transportierte Differentialform mit ${}\alpha _{*}\omega$. Das ist dasselbe wie die zurückgezogene Form ${}\alpha ^{-1*}\omega$.

Definition

Es sei ${}M$ eine ${}n$- dimensionale differenzierbare Mannigfaltigkeit und ${}\omega$ eine messbare ${}n$- Differentialform auf ${}M$. Dann heißt ${}\omega$ eine positive Volumenform, wenn für jede Karte (eines gegebenen Atlases)

$\alpha \colon U\longrightarrow V$

(mit ${}V\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ und Koordinatenfunktionen $x_{1},\ldots ,x_{n}$) in der lokalen Darstellung der Differentialform

${}\alpha _{*}\omega =fdx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}\,$

die Funktion ${}f$ überall positiv ist.

Dabei ist die Funktion ${}f$ durch

$f(Q)=\omega {\left(\alpha ^{-1}(Q),T_{Q}{\left(\alpha ^{-1}\right)}(e_{1})\wedge \ldots \wedge T_{Q}{\left(\alpha ^{-1}\right)}(e_{n})\right)}\,$

festgelegt. Eine solche positive Volumenform kann es nur geben, wenn die Mannigfaltigkeit orientierbar ist (siehe Lemma 15.5 weiter unten).

Lemma

Es sei ${}M$ eine ${}n$- dimensionale differenzierbare Mannigfaltigkeit mit abzählbarer Basis der Topologie und es sei ${}\omega$ eine positive Volumenform auf ${}M$. Zu einer Karte

$\alpha \colon U\longrightarrow V$

mit ${}\alpha _{*}(\omega {|}_{U})=fdx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}$ und einer messbaren Teilmenge ${}T\subseteq U$ setzen wir

${}\nu (\alpha ,T):=\int _{\alpha (T)}f\,d\lambda ^{n}\,$

Dann gelten folgende Eigenschaften.

1. Wenn ${}T\subseteq U_{1},U_{2}$ zwei Kartenumgebungen sind, so ist ${}\nu (\alpha _{1},T)=\nu (\alpha _{2},T)$.
2. Zu einer messbaren Teilmenge ${}T\subseteq M$ gibt es eine abzählbare disjunkte Vereinigung ${}T=\biguplus _{i\in I}T_{i}$ derart, dass jedes ${}T_{i}$ ganz in einer Karte ${}U_{i}$ liegt.
3. Die Summe ${}\sum _{i\in I}\nu (\alpha _{i},T_{i})$ ist unabhängig von der gewählten abzählbaren disjunkten Zerlegung in (2).

Beweis

(1). Wegen ${}T\subseteq U_{1}\cap U_{2}$ können wir ${}U=U_{1}=U_{2}$ annehmen (aber mit unterschiedlichen Kartenabbildungen ${}\alpha _{1}$ und ${}\alpha _{2}$ nach ${}V_{1}$ bzw. ${}V_{2}$). Es sei

$\psi =\alpha _{2}\circ \alpha _{1}^{-1}\colon V_{1}\longrightarrow V_{2}$

der diffeomorphe Kartenwechsel. Dann gelten nach Satz 14.3 (Maß- und Integrationstheorie (Osnabrück 2022-2023)) und nach Korollar 14.9, und da wegen der Positivität von ${}f_{1}=(f_{2}\circ \psi )\det {\left(D\psi \right)}$ und von ${}f_{2}$ auch die Determinante positiv ist, die Gleichheiten

${}{\begin{aligned}\nu (\alpha _{2},T)&=\int _{\alpha _{2}(T)}f_{2}\,d\lambda ^{n}\\&=\int _{\alpha _{1}(T)}(f_{2}\circ \psi ){|}\det {\left(D\psi \right)}{|}\,d\lambda ^{n}\\&=\int _{\alpha _{1}(T)}(f_{2}\circ \psi )\cdot \det {\left(D\psi \right)}\,d\lambda ^{n}\\&=\int _{\alpha _{1}(T)}f_{1}\,d\lambda ^{n}\\&=\nu (\alpha _{1},T).\end{aligned}}$

(2). Es sei ${}U_{n}$, ${}n\in \mathbb {N}$, eine abzählbarer Atlas. Dann kann man die Mengen ${}T_{n}=T\cap (U_{n}\setminus \bigcup _{m<n}U_{m})$ nehmen.
(3). Es seien ${}T=\biguplus _{i\in I}T_{i}=\biguplus _{j\in J}S_{j}$ zwei abzählbare disjunkte messbare Zerlegungen, deren Glieder jeweils in Karten enthalten seien. Die Karten seien einerseits ${}(U_{i},\alpha _{i})$ mit den die Form beschreibenden Funktionen ${}f_{i}$ und andererseits ${}(V_{j},\beta _{j})$ mit den die Form beschreibenden Funktionen ${}g_{j}$. Wir betrachten die ebenfalls abzählbare Zerlegung, die durch die Mengen ${}T_{i}\cap S_{j}$, ${}(i,j)\in I\times J$, gegeben ist. Nach Lemma 10.1 (Maß- und Integrationstheorie (Osnabrück 2022-2023)) (angewendet auf die einzelnen Kartenbilder) gilt dann unter Verwendung von Teil (1)

${}{\begin{aligned}\sum _{i\in I}{\left(\int _{\alpha _{i}(T_{i})}f_{i}\,d\lambda ^{n}\right)}&=\sum _{i\in I}{\left(\sum _{j\in J}\int _{\alpha _{i}(T_{i}\cap S_{j})}f_{i}\,d\lambda ^{n}\right)}\\&=\sum _{i\in I}{\left(\sum _{j\in J}\int _{\beta _{j}(T_{i}\cap S_{j})}g_{j}\,d\lambda ^{n}\right)}\\&=\sum _{j\in J}{\left(\sum _{i\in I}\int _{\beta _{j}(T_{i}\cap S_{j})}g_{j}\,d\lambda ^{n}\right)}\\&=\sum _{j\in J}{\left(\int _{\beta _{j}(S_{j})}g_{j}\,d\lambda ^{n}\right)}.\end{aligned}}$

$\Box$

Definition

Es sei ${}M$ eine ${}n$- dimensionale differenzierbare Mannigfaltigkeit mit einer abzählbaren Basis der Topologie und es sei ${}\omega$ eine positive Volumenform auf ${}M$. Dann heißt die für jede Borelmenge ${}T\subseteq M$ durch eine abzählbare Zerlegung ${}T=\biguplus _{i\in I}T_{i}$ (wobei ${}T_{i}\subseteq U_{i}$ ein offenes Kartengebiet und ${}\alpha _{i*}\omega =f_{i}dx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}$ ist) definierte Zahl

${}\int _{T}\omega =\sum _{i\in I}\int _{\alpha _{i}(T_{i})}f_{i}\,d\lambda ^{n}\,$

(aus ${}{\overline {\mathbb {R} }}_{\geq 0}$) das Maß von ${}T$ zu ${}\omega$ oder das Integral von ${}\omega$ über ${}T$.

Nach dem vorstehenden Lemma ist dieses Volumenmaß wohldefiniert. Nach Aufgabe 15.2 handelt es sich um ein ${}\sigma$- endliches Maß. Für eine offene Menge ${}M\subseteq \mathbb {R} ^{n}$, eine messbare Teilmenge ${}T\subseteq M$ und eine positive ${}n$-Form ${}\omega =fdx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}$ ist einfach

${}\int _{T}\omega =\int _{T}fd\lambda ^{n}\,.$

Lemma

Es sei ${}M$ eine ${}n$- dimensionale differenzierbare Mannigfaltigkeit mit einer abzählbaren Basis der Topologie und es seien ${}\omega _{1}$ und ${}\omega _{2}$ positive Volumenformen auf ${}M$.

Dann gilt für jede messbare Teilmenge ${}T\subseteq M$ und ${}a,b\in \mathbb {R} _{+}$ die Beziehung

${}\int _{T}(a\omega _{1}+b\omega _{2})=a\int _{T}\omega _{1}+b\int _{T}\omega _{2}\,.$

Beweis

Siehe Aufgabe 15.5.

$\Box$

Volumenformen und Orientierung

Die Existenz einer stetigen nullstellenfreien Volumenform auf einer Mannigfaltigkeit hängt eng mit ihrer Orientierbarkeit zusammen. Von der folgenden Aussage werden wir in Satz 22.11 auch die Umkehrung beweisen.

Lemma

Es sei ${}M$ eine ${}m$- dimensionale differenzierbare Mannigfaltigkeit und ${}\omega$ eine stetige nullstellenfreie Volumenform auf ${}M$.

Dann gibt es einen (diffeomorph-äquivalenten) orientierten Atlas für ${}M$ derart, dass ${}\omega$ eine positive Volumenform bezüglich dieses Atlases wird.

Insbesondere ist ${}M$ orientierbar.

Beweis

Zu ${}P\in M$ betrachtet man Kartengebiete ${}P\in U$ mit der Eigenschaft, dass ${}U$ homöomorph zu einem offenen Ball ${}V\subseteq \mathbb {R} ^{m}$ ist. Es ist

${}\bigwedge ^{m}TU\cong \bigwedge ^{m}TV\cong V\times \bigwedge ^{m}\mathbb {R} ^{m}\cong V\times \mathbb {R} \,$

mittels ${}\bigwedge ^{m}T(\alpha )$. Dabei ist die hintere Isomorphie durch die Standardbasis mit den Koordinaten ${}x_{1},\ldots ,x_{m}$ gegeben. Es sei ${}\alpha _{*}\omega =fdx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{m}$ die zugehörige ${}1$-Differentialform auf ${}V$. Diese Form ist nullstellenfrei, und da ${}V$ zusammenhängend ist, ist ${}f$ nach dem Zwischenwertsatz positiv oder negativ. Im negativen Fall ersetzen wir die Karte, indem wir ein Basiselement durch sein Negatives ersetzen. Dadurch gewinnen wir für jeden Punkt eine Kartenumgebung, auf der die Form positiv ist. Zu zwei Karten ${}\alpha \colon U\rightarrow V$ und ${}\beta \colon U\rightarrow V'$ mit der Übergangsabbildung ${}\psi =\beta \circ \alpha ^{-1}$ und den lokalen Beschreibungen ${}\alpha _{*}\omega =fdx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{m}$ und ${}\beta _{*}\omega =gdy_{1}\wedge \ldots \wedge dy_{m}$ gilt dann wegen ${}\psi ^{*}(\beta _{*}\omega )=\alpha _{*}\omega$ nach Korollar 14.9 die Beziehung ${}f=g\circ \psi \det {\left(D\psi \right)}$. Da ${}f$ und ${}g$ positiv sind, muss auch die Determinante positiv sein, sodass die Übergangsabbildung orientierungstreu und die Mannigfaltigkeit somit orientiert ist.

$\Box$

Volumenform auf Fasern

Für die folgenden Aussagen vergleiche Bemerkung 13.11.

Korollar

Es sei ${}G\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ offen und sei

$\varphi \colon G\longrightarrow \mathbb {R} ^{\ell }$

(mit ${}m=n-\ell \geq 0$) eine stetig differenzierbare Abbildung, die in jedem Punkt der Faser ${}M$ über ${}0\in \mathbb {R} ^{\ell }$ regulär sei.

Dann ist die Abbildung

$\bigwedge ^{m}T_{P}M\longrightarrow \mathbb {R} ,\,v_{1}\wedge \ldots \wedge v_{m}\longmapsto \det(\operatorname {Grad} \,\varphi _{1}(P),\ldots ,\operatorname {Grad} \,\varphi _{\ell }(P),v_{1},\ldots ,v_{m}),$

in jedem Punkt ${}P\in M$ eine Isomorphie, wodurch eine stetige nullstellenfreie Volumenform auf ${}M$ gegeben ist.

Beweis

Bei dieser Abbildung werden die Vektoren ${}v_{i}\in T_{P}M\subseteq T_{P}\mathbb {R} ^{n}=\mathbb {R} ^{n}$ und die Gradienten als Vektoren in ${}\mathbb {R} ^{n}$ aufgefasst. Nach Aufgabe 12.13 und nach Korollar Anhang 2.4 ist die Abbildung wohldefiniert und linear. Der Ausgangsraum der Abbildung ist wie der Zielraum eindimensional. Es sei ${}v_{1},\ldots ,v_{m}$ eine Basis von

${}T_{P}M=\operatorname {kern} \left(D\varphi \right)_{P}=(\operatorname {Grad} \,\varphi _{1}(P),\ldots ,\operatorname {Grad} \,\varphi _{\ell }(P))^{\perp }\,.$

Da die Abbildung regulär ist, sind die Gradienten untereinander linear unabhängig, und wegen der Orthogonalitätsbeziehung erst recht linear unabhängig zu den ${}v_{i}$. Daher liegt insgesamt eine Basis des ${}\mathbb {R} ^{n}$ vor, sodass nach Fakt ***** die Determinante ${}\neq 0$ ist. Die Abhängigkeit dieser Volumenform vom Basispunkt ${}P$ ist stetig, wie aus der Stetigkeit der Gradienten, der Stetigkeit der Determinante und dem Satz über implizite Abbildungen folgt.

$\Box$

Der vorstehende Satz liefert zwar in dieser wichtigen Situation die Existenz eines positiven Maßes, aber noch nicht die kanonische Volumenform, die wir in der nächsten Vorlesung über die riemannsche Metrik einführen werden. Für den Zusammenhang zwischen den beiden Konzepten siehe Aufgabe 16.10 und Aufgabe 16.11.

Korollar

Es sei ${}G\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ offen und sei

$\varphi \colon G\longrightarrow \mathbb {R}$

eine stetig differenzierbare Abbildung, die in jedem Punkt der Faser ${}M$ über ${}0\in \mathbb {R}$ regulär sei.

Dann ist die Volumenform aus Korollar 15.6 gleich

$\sum _{i=1}^{n}(-1)^{i+1}{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{i}}}dx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{i-1}\wedge dx_{i+1}\wedge \ldots \wedge dx_{n},$

wobei die ${}x_{1},\ldots ,x_{n}$ die Koordinaten auf ${}\mathbb {R} ^{n}$ bezeichnen und die ${}dx_{i}$ die zugehörigen ${}1$-Formen auf ${}M$.

Beweis

Nach Korollar 15.6 ist die Volumenform dadurch gegeben, dass sie in einem Punkt ${}P\in M$ und einem ${}n-1$-Tupel ${}v_{1},\ldots ,v_{n-1}\in T_{P}M\subset \mathbb {R} ^{n}$ mit ${}v_{s}={\begin{pmatrix}v_{1s}\\\vdots \\v_{ns}\end{pmatrix}}$ die Zahl

$\det \left(\operatorname {Grad} \,\varphi (P),\,v_{1},\,\ldots ,\,v_{n-1}\right)=\det {\begin{pmatrix}{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{1}}}(P)&v_{11}&\ldots &v_{1\,n-1}\\{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{2}}}(P)&v_{21}&\ldots &v_{2\,n-1}\\\vdots &\vdots &\vdots &\vdots \\{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{n}}}(P)&v_{n1}&\ldots &v_{n\,n-1}\end{pmatrix}}\,$

zuordnet. Wir müssen zeigen, dass die angegebene Form damit übereinstimmt. Wenn wir diese im Punkt ${}P$ in den Vektoren auswerten, so erhält man nach [[Dachprodukt/Natürliche Dualität/Endlichdimensional/Fakt|Kurs:Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025)/Dachprodukt/Natürliche Dualität/Endlichdimensional/Fakt/Faktreferenznummer (Lineare Algebra (Osnabrück 2024-2025))]]

${}{\begin{aligned}\sum _{i=1}^{n}(-1)^{i+1}{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{i}}}(P)dx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{i-1}\wedge dx_{i+1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}(v_{1},\ldots ,v_{n-1})&=\sum _{i=1}^{n}(-1)^{i+1}{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{i}}}(P)\det {\left(dx_{r}(v_{s})\right)}_{1\leq r\leq n,\,r\neq i,\,1\leq s\leq n-1}\\&=\sum _{i=1}^{n}(-1)^{i+1}{\frac {\partial \varphi }{\partial x_{i}}}(P)\det {\left(v_{rs}\right)}_{1\leq r\leq n,\,r\neq i,\,1\leq s\leq n-1}.\end{aligned}}$

Dies ist gerade die Entwicklung der obigen Determinante nach der ersten Spalte.

$\Box$

Bemerkung  

In der Situation von Korollar 15.6 erhält man nicht nur eine nullstellenfreie Volumenform, sondern auch eine Orientierung auf jedem Tangentialraum und überhaupt eine orientierte Mannigfaltigkeit. Man definiert die Orientierung auf ${}T_{P}M$ dadurch, dass man festlegt, dass eine Basis ${}v_{1},\ldots ,v_{m}$ die Orientierung repräsentiert, wenn die erweiterte Basis ${}\operatorname {Grad} \,\varphi _{1}(P),\ldots ,\operatorname {Grad} \,\varphi _{\ell }(P),v_{1},\ldots ,v_{m}$ die Standardorientierung des ${}\mathbb {R} ^{n}$ repräsentiert. Diese Festlegung hängt von ${}\varphi$ ab. Wenn man beispielsweise ${}\varphi$ durch ${}-\varphi$ ersetzt, so ändert sich bei ungeradem ${}\ell$ die Orientierung.

Beispiel

Wir betrachten die ${}2$- Sphäre ${}S^{2}$ als Faser über ${}0$ zur differenzierbaren Abbildung

$\varphi \colon \mathbb {R} ^{3}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x,y,z)\longmapsto x^{2}+y^{2}+z^{2}-1.$

Wir können darauf Korollar 15.6 anwenden und erhalten durch

$\bigwedge ^{2}T_{P}S^{2}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,v_{1}\wedge v_{2}\longmapsto \det(\operatorname {Grad} \,\varphi (P),v_{1},v_{2}),$

(wobei die Tangentenvektoren ${}v_{1}$ und ${}v_{2}$ wegen ${}T_{P}S^{2}\subseteq T_{P}\mathbb {R} ^{3}=\mathbb {R} ^{3}$ direkt im ${}\mathbb {R} ^{3}$ aufgefasst werden können.), eine stetige nullstellenfreie Flächenform ${}\omega$. Dies führt zu einer positiven Flächenform und zu einer Orientierung auf ${}S^{2}$. Zwei linear unabhängige Tangentialvektoren ${}v_{1}$ und ${}v_{2}$ repräsentieren die Orientierung, wenn ${}\omega (v_{1},v_{2})>0$ ist, und dies ist genau dann der Fall, wenn die drei Vektoren ${}\operatorname {Grad} \,\varphi (P),\,v_{1},\,v_{2}$ die Standardorientierung des ${}\mathbb {R} ^{3}$ repräsentieren. Nach Korollar 15.7 kann man diese Flächenform auch als das Doppelte von

$xdy\wedge dz-ydx\wedge dz+zdx\wedge dy$

schreiben.

Beispiel

Es sei ${}V\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ eine offene Teilmenge,

$h\colon V\longrightarrow \mathbb {R}$

eine stetig differenzierbare Funktion und ${}M\subset \mathbb {R} ^{n}\times \mathbb {R} =\mathbb {R} ^{n+1}$ der zugehörige Graph, den wir als ${}n$-dimensionale differenzierbare Mannigfaltigkeit auffassen, die zu ${}V$ über ${}(x_{1},\ldots ,x_{n})\mapsto (x_{1},\ldots ,x_{n},h(x_{1},\ldots ,x_{n}))$ diffeomorph ist. Diese Mannigfaltigkeit ist zugleich die Faser über ${}0$ unter der Abbildung

$\varphi \colon \mathbb {R} ^{n+1}\longrightarrow \mathbb {R} ,\,(x_{1},\ldots ,x_{n},y)\longmapsto h(x_{1},\ldots ,x_{n})-y.$

Der Gradient dieser Abbildung ist

$\left({\frac {\partial h}{\partial x_{1}}}(P),\,\ldots ,\,{\frac {\partial h}{\partial x_{n}}}(P),\,-1\right)$

Nach Korollar 15.6 liefert daher die Zuordnung

$(v_{1},\ldots ,v_{n})\mapsto \det {\begin{pmatrix}{\frac {\partial h}{\partial x_{1}}}(P)&v_{11}&\ldots &v_{n1}\\\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\{\frac {\partial h}{\partial x_{n}}}(P)&v_{1n}&\ldots &v_{nn}\\-1&v_{1n+1}&\ldots &v_{nn+1}\end{pmatrix}}$

eine stetige nullstellenfreie ${}n$-Form ${}\omega$ auf ${}M$. Wenn man diese Form über die oben beschriebene (einzige) Karte nach ${}V$ zurückzieht, so ist ${}\alpha _{*}\omega =fdx_{1}\wedge \ldots \wedge dx_{n}$, wobei sich ${}f(Q)$ als Wert der Form ${}\omega$ im Punkt ${}\alpha ^{-1}(Q)\in M$ bezüglich der Vektoren ${}T_{Q}(\alpha ^{-1})(e_{1}),\ldots ,T_{Q}(\alpha ^{-1})(e_{n})$ ergibt. Wegen ${}T_{Q}(\alpha ^{-1})(e_{i})=(e_{i},{\frac {\partial h}{\partial x_{i}}}(Q))$ ist dies

${}f(Q)=\det {\begin{pmatrix}{\frac {\partial h}{\partial x_{1}}}(Q)&1&0&\ldots &0\\{\frac {\partial h}{\partial x_{2}}}(Q)&0&1&\ldots &0\\\vdots &\vdots &\vdots &\ddots &\vdots \\{\frac {\partial h}{\partial x_{n}}}(Q)&0&0&\ldots &1\\-1&{\frac {\partial h}{\partial x_{1}}}(Q)&{\frac {\partial h}{\partial x_{2}}}(Q)&\ldots &{\frac {\partial h}{\partial x_{n}}}(Q)\end{pmatrix}}=\pm {\left({\left({\frac {\partial h}{\partial x_{1}}}(Q)\right)}^{2}+\cdots +{\left({\frac {\partial h}{\partial x_{n}}}(Q)\right)}^{2}+1\right)}\,,$

wobei das Vorzeichen von ${}n$ abhängt.

Integration längs einer differenzierbaren Abbildung

Auf einer ${}n$-dimensionalen Mannigfaltigkeit ${}M$ sind nur ${}n$-Formen über ${}M$ sinnvoll integrierbar. Man möchte aber auch ${}k$-Formen (${}1\leq k\leq n$) über gewisse ${}k$-dimensionale Unterobjekte integrieren können. Das passende Konzept ist dabei die Integration längs einer differenzierbaren Abbildung

$\varphi \colon L\longrightarrow M$

einer ${}k$-dimensionalen Mannigfaltigkeit ${}L$. Dabei integriert man über ${}L$ einfach die mit ${}\varphi$ zurückgezogene Differentialform ${}\varphi ^{*}\omega$ zu einer Form ${}\omega \in {\mathcal {E}}^{k}(M)$. Auf ${}L$ passen dabei die Dimension und der Grad der Form zusammen. Ein wichtiger Spezialfall ist dabei der von ${}1$-Formen und differenzierbaren Kurven

$\gamma \colon I\longrightarrow M,$

die dabei entstehenden Integrale nennt man Wegintegrale.

Definition

Es sei ${}M$ eine differenzierbare Mannigfaltigkeit und ${}\omega \in {\mathcal {E}}^{1}(M)$ eine ${}1$- Differentialform. Es sei

$\gamma \colon [a,b]\longrightarrow M$

eine stetig differenzierbare Kurve. Dann heißt

${}\int _{\gamma }\omega :=\int _{[a,b]}\gamma ^{*}\omega =\int _{a}^{b}\omega (\gamma (t);\gamma '(t))\,dt\,$

das Wegintegral von ${}\omega$ längs ${}\gamma$.

Dabei ist ${}\gamma '(t)=(T_{t}\gamma )(1)\in T_{\gamma (t)}M$.

Bemerkung  

Im physikalischen Kontext beschreibt eine reellwertige ${}1$- Differentialform (bzw. ihre duale Version, ein Vektorfeld) eine Kraft; das Wegintegral ist dann der Arbeitsaufwand oder die Energie, die gebraucht oder freigesetzt wird, wenn sich ein Teilchen auf dem Weg bewegt.

Häufig werden wir Differentialformen auf einer abgeschlossenen Untermannigfaltigkeit ${}M\subseteq G$, ${}G$ offen in ${}\mathbb {R} ^{n}$, betrachten, die sogar auf ${}G$ definiert sind und daher die Gestalt ${}\omega =\sum _{i=1}^{n}g_{i}dx_{i}$ besitzen, wobei die ${}x_{i}$ die Koordinaten des ${}\mathbb {R} ^{n}$ und die ${}g_{i}$ auf ${}G$ definierte Funktionen sind. Für einen Weg in ${}M$ ist es nach Aufgabe 15.9 gleichgültig, ob man das Wegintegral mit Bezug auf ${}G$ und ${}\omega$ oder mit Bezug auf ${}M$ und die eingeschränkte Differentialform ${}\omega {|}_{M}$ betrachtet.

Bemerkung  

Ein Wegintegral wird folgendermaßen berechnet. Es sei ${}\omega$ eine ${}1$-Form auf ${}G\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ offen, die durch

${}\omega =g_{1}dx_{1}+\cdots +g_{n}dx_{n}\,$

beschrieben werde, wobei die ${}g_{j}\colon G\rightarrow \mathbb {R}$ messbare Funktionen sind. Es sei eine stetig differenzierbare Kurve ${}\gamma \colon [a,b]\rightarrow G$ gegeben mit den (stetig differenzierbaren) Komponentenfunktionen ${}\gamma _{j}$. Die Ableitung in einem Punkt ${}t\in [a,b]$ wird dann nach Lemma 37.4 (Analysis (Osnabrück 2021-2023)) durch den Vektor ${}\left(\gamma _{1}'(t),\,\ldots ,\,\gamma _{n}'(t)\right)$ beschrieben. Die zurückgezogene Differentialform ${}\gamma ^{*}\omega$ hat dann im Punkt ${}t$ in Richtung ${}1$ den Wert

${}{\begin{aligned}\omega (\gamma (t);\gamma '(t))&={\left(g_{1}(\gamma (t))dx_{1}+\cdots +g_{n}(\gamma (t))dx_{n}\right)}{\begin{pmatrix}\gamma _{1}'(t)\\\vdots \\\gamma _{n}'(t)\end{pmatrix}}\\&=g_{1}(\gamma (t))\gamma _{1}'(t)+\cdots +g_{n}(\gamma (t))\gamma _{n}'(t).\end{aligned}}$

Im mittleren Ausdruck wird eine Linearform auf einen Vektor angewendet. In ${}g_{j}(x_{1},\ldots ,x_{n})$ wird also ${}x_{i}$ durch ${}\gamma _{i}(t)$ und ${}dx_{i}$ durch ${}\gamma _{i}'(t)dt$ ersetzt. Das Gesamtergebnis ist eine messbare ${}1$-Form auf ${}[a,b]$ bzw. eine messbare Funktion von ${}[a,b]$ nach ${}\mathbb {R}$, die man integrieren kann.

Beispiel

Wir betrachten die Differentialform

${}\omega ={\left(xy+z^{2}\right)}dx+zdy+x^{3}dz\,$

auf dem ${}\mathbb {R} ^{3}$ und den affin-linearen Weg

$\gamma \colon [0,1]\longrightarrow \mathbb {R} ^{3},\,t\longmapsto (1,2,0)+t(3,0,2)=(1+3t,2,2t).$

Die unter ${}\gamma$ zurückgenommene Differentialform ${}\gamma ^{*}\omega$ ist

${}{\begin{aligned}{\left({\left((1+3t)2+(2t)^{2}\right)}dx+2tdy+(1+3t)^{3}dz\right)}{\begin{pmatrix}3\\0\\2\end{pmatrix}}&={\left(3((1+3t)2+(2t)^{2})+2(1+3t)^{3}\right)}dt\\&={\left(12t^{2}+18t+6+54t^{3}+54t^{2}+18t+2\right)}dt\\&={\left(54t^{3}+66t^{2}+36t+8\right)}dt.\end{aligned}}$

Für das Integral über dem Einheitsintervall ergibt sich

$\int _{0}^{1}54t^{3}+66t^{2}+36t+8\,dt={\left({\frac {27}{2}}t^{4}+22t^{3}+18t^{2}+8t\right)}|_{0}^{1}={\frac {123}{2}}\,.$

Fußnoten

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