도널드슨 불변량은 4차원 연결 단일 연결 매끄러운 다양체
의 불변량이며, 대수적 위상수학 또는 초대칭 위상 양자장론을 통해 정의할 수 있다.
수학적 정의
푸앵카레 쌍대성과 합곱을 사용해 2차 코호몰로지
위에 다음과 같은 교차 형식(영어: intersection form)을 정의할 수 있다.

![{\displaystyle I(\alpha ,\beta )=[M]\frown (\alpha \smile \beta )}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/22d65aefeb963f0886fe3086df53c112655dfe0b)
여기서
은
의 기본류다. 이 형식의 양의 고윳값의 수를
, 음의 고윳값의 수를
이라고 하자. 물론

은
의 2차 베티 수이다. 앞으로,
이라고 가정하자.
에 임의의 리만 계량
와 SU(2) 벡터다발
을 부여하자. 이 경우,
의 SU(2) 양-밀스 순간자들의 모듈라이 공간
를 생각할 수 있다. 이는 일반적으로 오비폴드를 이루고, 그 차원은 다음과 같다.[5]:(2), (3)

으로 주어진다. (만약 이 수가 음수라면
는 공집합이다.) 여기서
는
의 2차 천 수이고,
은
의
차 베티 수이다. (게이지 군이 SU(2)이므로, 1차 천 특성류는 항상 0이다.)
가
위에 존재하는 모든 주접속들(의 게이지 변환에 대한 동치류들)의 모듈라이 공간이라고 하자. 이는 무한 차원 공간이다. 이 경우, 전자는 후자의 자연스러운 부분공간을 이룬다.

는 물론 리만 계량
에 의존하지만,
이라면 호몰로지류
는
에 의존하지 않는다는 것을 보일 수 있다. 따라서
![{\displaystyle [{\mathcal {M}}_{E}]\in \operatorname {H} _{\bullet }({\mathcal {C}}_{E})}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/195ececd3b1a84cf43e5dd9576cbe3f53035c61d)
를 정의할 수 있다. 이는 리만 계량에 의존하지 않지만,
의 미분 구조에 의존한다. 즉, 이는 위상동형(위상다양체로서 동형)이지만 미분동형(매끄러운 다양체로서 동형)이지 않은 다양체들을 구분할 수 있다.
스펙트럼 열을 사용하여, 다음과 같은 군 준동형을 정의할 수 있다.

은 4차원 연결 단일 연결 매끄러운 다양체라고 가정하였으므로,
의 (유리수 계수) 호몰로지는 다음과 같다.





여기서
는 임의로 잡은
의 기저다. 그렇다면 다음을 보일 수 있다.

의 코호몰로지 환
는
에 의하여 다항식환
와 표준적(canonical)으로 동형이다. 여기서
는
에 대응하는 생성원이다.
이제, 도널드슨 다항식(Donaldson多項式, 영어: Donaldson polynomial)
은 다음과 같은 사상이다.
![{\displaystyle Q_{E}(p)=[{\mathcal {M}}_{E}]\frown p\left(\mu (x),\mu (\gamma _{1}),\dots ,\mu (\gamma _{b_{2}})\right)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/710453fb75dfa4b2b300541b2b64b998655aa87e)
물리학적 정의
4차원 다양체
의 도널드슨 다항식 불변량은
위에 존재하는
초대칭 게이지 이론의 상관 함수로 정의할 수 있다.
위에 임의의 리만 계량을 부여하고, 그 위에 게이지 군이 콤팩트 반단순 리 군
인
초대칭 양-밀스 이론을 생각하자. 이 이론은 로런츠 대칭과 R대칭을 갖는데, 로런츠 군

는 4차원 스핀 군이고,
R대칭군은 SU(2)R이다. 이제 새 로런츠 부분군
을
와
의 대각 성분으로 정의하여, 위상 뒤틀림(영어: topological twist)을 가한다. 그렇다면 이론의 장들은 다음과 같다.
자세한 정보
,
...
기호 | 설명 | 뒤틀기 전 군 표현 SU(2)left×SU(2)right×SU(2)R×U(1)R | 뒤튼 뒤 군 표현 SU(2)left×SU(2)right×U(1)R | 뒤튼 뒤 설명 |
 | 왼쪽 초전하 | (½, 0, ½)−1 | (½, ½)−1 |  |
 |
오른쪽 초전하 |
(0, ½, ½)+1 | (0,0)+1 | BRST 연산자  |
(0, 1)+1 |  |
 | 게이지 보손 | (½, ½, 0)0 | (½,½)0 | 게이지 보손 |
 | 왼손 게이지노 | (½, 0, ½)+1 | (½,½)+1 | 유령 |
 |
오른손 게이지노 |
(0, ½, ½)−1 | (0,1)−1 | 반유령 ( 제약에 대응) |
(0,0)−1 | 반유령 |
 | 스게이지노(영어: sgaugino) | (0, 0, 0)+2 | (0,0)+2 | (게이지 변환 매개변수) |
 | 반스게이지노(영어: antisgaugino) | (0, 0, 0)−2 | (0,0)−2 | 유령 |
닫기
따라서, 뒤튼 뒤에는 두 개의 스칼라장과 두 개의 벡터장만이 존재한다. 이 경우,
,
는
에 대한 초다중항을 이룬다.
는
제약에 대응하며,
는 게이지 변환의 매개변수에 대응한다.
이제, 초대칭 연산자
를 BRST 대칭으로 생각하여, 모든 관측가능량을
에 의한 코호몰로지에 닫혀 있게 한다. 그렇다면 이 이론은 위튼형 위상 양자장론을 이룬다.
이제, 다음과 같은 게이지 불변,
-닫힌 연산자를 생각하자.

이제 다음과 같은 일련의 연산자들을 정의할 수 있다.





는
차 코호몰로지류이다. 따라서, 임의의
차 호몰로지류
들에 대하여, 다음과 같은 상관 함수를 정의할 수 있다.

이 경우,
는 CP 위반항이므로,
![{\displaystyle \int _{M}{\mathcal {O}}_{4}\sim \int _{M}F\wedge F=[M]\frown c_{2}(E)}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e3edd7bf608d4cd48668ced1524e55b8f798bfaa)
는 단순히 순간자수(게이지 주다발의 2차 천 특성류)이다. 따라서
의 삽입은 상관 함수를 특별히 변화시키지 않는다. 2차 호몰로지 류
및 0차 호몰로지 류
를 사용하여, 상관 함수

를 정의할 수 있다. 이를 도널드슨 다항식이라고 하며, 이는 위상수학으로 정의한 도널드슨 다항식과 일치함을 보일 수 있다.
크론하이머-므로카 기본류
게이지 군
가 SU(2)일 경우를 생각하자. 4차원 매끄러운 다양체
가운데, 다음 조건을 만족시키는 것을 단순형 다양체(영어: manifold of simple type)라고 하자.

여기서
이며,
는
를 차수 4,
를 차수 2로 하여 센 다항식의 차수이다.
이 경우, 도널드슨 불변량은 다음과 같은 생성 함수로 완전히 결정된다.


이 생성 함수는 다음과 같은 간단한 형태로 나타내어진다.

여기서
인 2차 코호몰로지 원소들을 크론하이머-므로카 기본류(영어: Kronheimer–Mrowka basic class)라고 하며, 이러한 기본류들의 수는 유한하다. 이
들은 자이베르그-위튼 불변량과 같다고 추측된다.