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pullback と形式の積分md 465d947
lecture/math/exterior-algebra/pullbacks-and-integration-of-forms.lecture.n.md
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pullback と形式けいしき積分せきぶん

date2026-07-14document_iddoc_c1cd1b87a67e490966cef7d160cc0905descriptionpullback と形式の積分を、パラメータ表示された曲線・曲面上で微分形式を積分する操作として整理する。prerequisites微分形式と外微分 / 曲線・曲面のパラメータ表示type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/exterior-algebra/differential-forms-and-exterior-derivative.lecture.n.md / data/lecture/math/multivariable-calculus/parametrized-curves-and-surfaces.lecture.n.md
mathdifferential-formspullbacklecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、曲線きょくせん曲面きょくめんをパラメータ表示ひょうじしたとき、微分形式びぶんけいしきをパラメータ領域りょういきもどして積分せきぶんする。

2用語ようご定義ていぎ

pullbackPullback は、写像しゃぞう ϕ:UM沿って、M じょう形式けいしきU じょう形式けいしきうつ操作そうさである。

3方針ほうしん

形式けいしき直接ちょくせつ曲線きょくせん曲面きょくめん積分せきぶんするのではなく、表示写像ひょうじしゃぞうもどして、通常つうじょう変数へんすうかんする積分せきぶん変換へんかんする。

4具体例ぐたいれい

曲線きょくせん γ(t)=(x(t),y(t)) と 1 形式けいしき ω=Pdx+Qdyたいして、

γ*ω=(P(γ(t))x(t)+Q(γ(t))y(t))dt

である。これは線積分せんせきぶん計算式けいさんしき一致いっちする。

5曲線上きょくせんじょう計算けいさん

ω=xdy-ydxγ(t)=(cost,sint)0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2π とする。このとき

γ*ω=cost(costdt)-sint(-sintdt)=dt

である。したがって γω=2π となる。これは単位円たんいえん周囲しゅうい一周いっしゅうする循環じゅんかんはかる。

6曲面上きょくめんじょう計算けいさん

2 形式けいしき η=dxdy を、平面片へいめんへん ϕ(u,v)=(u,v,0)もどすと、ϕ*η=dudv である。したがって形式けいしき積分せきぶん通常つうじょう二重積分にじゅうせきぶん変換へんかんされる。

べつれいとして、半径はんけい R球面きゅうめん

ϕ(θ,φ)=(Rsinφcosθ,Rsinφsinθ,Rcosφ)

表示ひょうじする。2 形式けいしき η=xdydz+ydzdx+zdxdy は、放射状場ほうしゃじょうば (x,y,z) の flux に対応たいおうする。外向そとむきのきは dφdθ対応たいおうし、もどしは

ϕ*η=R3sinφdφdθ

であり、積分せきぶん4πR3 になる。

7変数変換へんすうへんかんとの関係かんけい

pullback は変数変換へんすうへんかん幾何的きかがくてき表現ひょうげんである。Jacobian 行列式ぎょうれつしきは、最高次さいこうじ形式けいしきもどしたときの係数けいすうとしてあらわれる。

たとえば Φ(u,v)=(x(u,v),y(u,v))たいして、

Φ*(dxdy)=(x,y)(u,v)dudv

である。通常つうじょう変数変換公式へんすうへんかんこうしきあらわれる Jacobian は、面積形式めんせきけいしきの pullback の係数けいすうである。

8対応図たいおうず

ベクトル解析かいせき微分形式びぶんけいしき
線積分せんせきぶん CF·dr1 形式けいしき Cω
面積分めんせきぶん SF·ndS2 形式けいしき Sη
パラメータ表示ひょうじpullback

pullback が必要ひつようなのは、積分対象せきぶんたいしょう曲線きょくせん曲面きょくめん存在そんざいするのにたいし、計算けいさん区間くかん平面領域へいめんりょういき実行じっこうするからである。

9反例はんれいまたは注意ちゅうい

きを反転はんてんするパラメータ表示ひょうじでは、最高次形式さいこうじけいしき積分せきぶん符号ふごう反転はんてんする。面積めんせきだけをもとめる場合ばあい絶対値ぜったいち登場とうじょうするが、形式けいしき積分せきぶんではけを保持ほじする。

10関連かんれんリンク

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