7. 移动标架与Gauss-Bonnet公式

7. 移动标架与Gauss-Bonnet公式

Fri Jul 12 2024
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7.1. Cartan结构方程#

我们经常发现使用移动(正交)标架的方法很方便,它在计算具有对称性的度量的联络和曲率时非常有效,例如旋转对称度量和齐次度量。该方法最初由Elie Cartan开发,随后由陈省身进一步完善。令 {ei}i=1n\left\{e_{i}\right\}_{i=1}^{n}UMnU \subset M^{n} 中的局部正交标架场。 TMnT^{*} M^{n} 的对偶正交基(或协标架场) {ωi}i=1n\left\{\omega^{i}\right\}_{i=1}^{n} 被定义为 ωi(ej)=δji\omega^{i}\left(e_{j}\right)=\delta_{j}^{i},对所有 i,j=1,,ni, j=1, \ldots, n 都成立。于是我们有

Rmij(X,Y)=12X,Y2eiY,X2ei,ej=12(Xωik)(Y)ek+ωik(Y)Xek(Yωik)(X)ekωik(X)Yek,ej\operatorname{Rm}_{i}^{j}(X, Y) = \frac{1}{2}\left\langle\nabla_{X, Y}^{2} e_{i}-\nabla_{Y, X}^{2} e_{i}, e_{j}\right\rangle = \frac{1}{2}\left\langle\left(\nabla_{X} \omega_{i}^{k}\right)(Y) e_{k}+\omega_{i}^{k}(Y) \nabla_{X} e_{k}-\left(\nabla_{Y} \omega_{i}^{k}\right)(X) e_{k}-\omega_{i}^{k}(X) \nabla_{Y} e_{k}, e_{j}\right\rangle =dωik(X,Y)ek,ej+12(ωik(Y)ωk(X)ωik(X)ωk(Y))e,ej= d \omega_{i}^{k}(X, Y)\left\langle e_{k}, e_{j}\right\rangle+\frac{1}{2}\left(\omega_{i}^{k}(Y) \omega_{k}^{\ell}(X)-\omega_{i}^{k}(X) \omega_{k}^{\ell}(Y)\right)\left\langle e_{\ell}, e_{j}\right\rangle

并且(1.80)得证。

对于曲面 M2M^{2},我们有

dω1=ω2ω21,dω2=ω1ω12Rm21=dω21\begin{gathered} d \omega^{1}=\omega^{2} \wedge \omega_{2}^{1}, \quad d \omega^{2}=\omega^{1} \wedge \omega_{1}^{2} \\ \operatorname{Rm}_{2}^{1}=d \omega_{2}^{1} \end{gathered}

特别地,高斯曲率由以下公式给出:

KRm(e1,e2)e2,e1=2Rm21(e1,e2)=2dω21(e1,e2)K \doteqdot\left\langle\operatorname{Rm}\left(e_{1}, e_{2}\right) e_{2}, e_{1}\right\rangle=2 \operatorname{Rm}_{2}^{1}\left(e_{1}, e_{2}\right)=2 d \omega_{2}^{1}\left(e_{1}, e_{2}\right)

练习 1.70 (联络1-形式的公式)。证明

dωk(ei,ej)=12ωik(ej)12ωjk(ei)d \omega^{k}\left(e_{i}, e_{j}\right)=\frac{1}{2} \omega_{i}^{k}\left(e_{j}\right)-\frac{1}{2} \omega_{j}^{k}\left(e_{i}\right)

利用此式及第一结构方程(1.79),推导出联络1-形式的公式:

ωik(ej)=dωi(ej,ek)+dωj(ei,ek)dωk(ej,ei)(1.81)\omega_{i}^{k}\left(e_{j}\right)=d \omega^{i}\left(e_{j}, e_{k}\right)+d \omega^{j}\left(e_{i}, e_{k}\right)-d \omega^{k}\left(e_{j}, e_{i}\right) \tag{1.81}

注意,这与Christoffel符号公式(1.5)有相似之处。度量可以写成:

g=i=1nωiωig=\sum_{i=1}^{n} \omega^{i} \otimes \omega^{i}

联络1-形式 ωij\omega_{i}^{j} 是相对于 {ei}i=1n\left\{e_{i}\right\}_{i=1}^{n} 的Levi-Civita联络的分量:

Xeij=1nωij(X)ej(1.76)\nabla_{X} e_{i} \doteqdot \sum_{j=1}^{n} \omega_{i}^{j}(X) e_{j} \tag{1.76}

对所有 i,j=1,,ni, j=1, \ldots, nUU 上的所有向量场 XX 都成立。联络1-形式是反对称的:

ωij=ωji\omega_{i}^{j}=-\omega_{j}^{i}

因为对所有 XX 都有

0Xei,ej=Xei,ej+ei,Xej0 \equiv X\left\langle e_{i}, e_{j}\right\rangle=\left\langle\nabla_{X} e_{i}, e_{j}\right\rangle+\left\langle e_{i}, \nabla_{X} e_{j}\right\rangle

ωi(ej)=δji\omega^{i}\left(e_{j}\right)=\delta_{j}^{i} 及乘积法则,我们可以看出:

Xωi=ωji(X)ωj(1.77)\nabla_{X} \omega^{i}=-\omega_{j}^{i}(X) \omega^{j} \tag{1.77}

UU 上,曲率2-形式 Rmij\mathrm{Rm}_{i}^{j} 定义为

Rmij(X,Y)ej12Rm(X,Y)ei(1.78)\operatorname{Rm}_{i}^{j}(X, Y) e_{j} \doteqdot \frac{1}{2} \operatorname{Rm}(X, Y) e_{i} \tag{1.78}

因此 Rmij(X,Y)=12Rm(X,Y)ei,ej\operatorname{Rm}_{i}^{j}(X, Y)=\frac{1}{2}\left\langle\operatorname{Rm}(X, Y) e_{i}, e_{j}\right\rangle

定理 1.69 (Cartan结构方程)。第一和第二Cartan结构方程为:

dωi=ωjωjiRmij=dωijωikωkj\begin{align*} d \omega^{i} & =\omega^{j} \wedge \omega_{j}^{i} \tag{1.79}\\ \operatorname{Rm}_{i}^{j} & =d \omega_{i}^{j}-\omega_{i}^{k} \wedge \omega_{k}^{j} \tag{1.80} \end{align*}

证明。我们计算:

dωi(X,Y)=12(Xωi)(Y)12(Yωi)(X)=12ωji(X)ωj(Y)+12ωji(Y)ωj(X)d \omega^{i}(X, Y) =\frac{1}{2}\left(\nabla_{X} \omega^{i}\right)(Y)-\frac{1}{2}\left(\nabla_{Y} \omega^{i}\right)(X) = -\frac{1}{2} \omega_{j}^{i}(X) \omega^{j}(Y) + \frac{1}{2} \omega_{j}^{i}(Y) \omega^{j}(X)

从而(1.79)得证。由(1.8)和

2ei=(ωik)ek+ωikek\nabla^{2} e_{i}=\left(\nabla \omega_{i}^{k}\right) e_{k}+\omega_{i}^{k} \nabla e_{k}

**练习 1.71 (第二Bianchi恒等式)。**证明

(dRm)ijdRmijωikRmkj+ωkjRmik=0\left(d_{\nabla} \mathrm{Rm}\right)_{i}^{j} \doteqdot d \mathrm{Rm}_{i}^{j}-\omega_{i}^{k} \wedge \mathrm{Rm}_{k}^{j}+\omega_{k}^{j} \wedge \mathrm{Rm}_{i}^{k}=0

这里 dRmijd_{\nabla} \mathrm{Rm}_{i}^{j} 是曲率 Rm\mathrm{Rm} 的外协变导数,作为取值于 TMnTMnT^{*} M^{n} \otimes T M^{n} 的2-形式。这是第二Bianchi恒等式的等价表述。

练习 1.72。证明:若 (M2,g)\left(M^{2}, g\right) 是一个黎曼曲面,且 u:M2Ru: M^{2} \rightarrow \mathbb{R} 为一函数,则有

R(eug)=eu(R(g)Δgu)R\left(e^{u} g\right)=e^{-u}\left(R(g)-\Delta_{g} u\right)

解答见例如 [163] 中引理 5.3。注意,可以使用(1.81)来进行计算,而不是采用 [163] 中的证明方法。

7.2. 度量的共形变化下的曲率#

拉普拉斯算子和Hessian算子在计算共形相关度量的曲率关系时出现。

练习 1.73。令 g~=e2ug\tilde{g}=e^{2u} g,且令 {ωi}i=1n\left\{\omega^{i}\right\}_{i=1}^{n} 是度量 gg 的一个局部正交共框架场。那么 {ω~i}i=1n\left\{\tilde{\omega}^{i}\right\}_{i=1}^{n},其中 ω~i=euωi\tilde{\omega}^{i}=e^{u} \omega^{i},是度量 g~\tilde{g} 的一个局部正交共框架场。还令 {ei}i=1n\left\{e_{i}\right\}_{i=1}^{n}{e~i}i=1n\left\{\tilde{e}_{i}\right\}_{i=1}^{n} 分别表示 {ωi}\left\{\omega^{i}\right\}{ω~i}\left\{\tilde{\omega}^{i}\right\} 的正交框架场对偶,因此有 e~i=euei\tilde{e}_{i}=e^{-u} e_{i}。证明Riemann曲率2-形式 Rmij\mathrm{Rm}_{i}^{j}Rmij~\widetilde{\mathrm{Rm}_{i}^{j}} 之间的关系为

Rmij~=Rmij+ekeiuωkωjekejuωkωi+u2ωiωj+du(ej(u)ωiei(u)ωj)\begin{align*} \widetilde{\operatorname{Rm}_{i}^{j}} & =\operatorname{Rm}_{i}^{j}+\nabla_{e_{k}} \nabla_{e_{i}} u \cdot \omega^{k} \wedge \omega^{j}-\nabla_{e_{k}} \nabla_{e_{j}} u \cdot \omega^{k} \wedge \omega^{i} \\ & +|\nabla u|^{2} \omega^{i} \wedge \omega^{j}+d u \wedge\left(e_{j}(u) \omega^{i}-e_{i}(u) \omega^{j}\right) \tag{1.82} \end{align*}

其中 \nabla 表示相对于度量 gg 的协变导数。

注释 1.74。我们采用的约定是,对于1-形式 α\alphaβ\beta,有 αβ=12(αββα)\alpha \wedge \beta=\frac{1}{2}(\alpha \otimes \beta-\beta \otimes \alpha)。练习1.73是使用移动框架法的练习1.59的版本。我们包括它是为了让读者比较这两种进行局部计算的技术。你更喜欢哪一种?

应用(1.82)到(1.78),我们计算出Ricci曲率的关系为

Rc~(e~,e~i)=m=1nRm~(e~m,e~)e~i,e~m=2m=1nRmij~(e~m,e~)e~j,e~m=2m=1nRmim~(e~m,e~)=e2u(Rc(e,ei)+(2n)eeiuδiΔu+u2(2n)δi(2n)e(u)ei(u)).\begin{aligned} \widetilde{\operatorname{Rc}}\left(\tilde{e}_{\ell}, \tilde{e}_{i}\right) & =\sum_{m=1}^{n}\left\langle\widetilde{\operatorname{Rm}}\left(\tilde{e}_{m}, \tilde{e}_{\ell}\right) \tilde{e}_{i}, \tilde{e}_{m}\right\rangle=2 \sum_{m=1}^{n}\left\langle\widetilde{\operatorname{Rm}_{i}^{j}}\left(\tilde{e}_{m}, \tilde{e}_{\ell}\right) \cdot \tilde{e}_{j}, \tilde{e}_{m}\right\rangle \\ & =2 \sum_{m=1}^{n} \widetilde{\operatorname{Rm}_{i}^{m}}\left(\tilde{e}_{m}, \tilde{e}_{\ell}\right) \\ & =e^{-2 u}\binom{\operatorname{Rc}\left(e_{\ell}, e_{i}\right)+(2-n) \nabla_{e_{\ell}} \nabla_{e_{i}} u-\delta_{\ell i} \Delta u}{+|\nabla u|^{2}(2-n) \delta_{i \ell}-(2-n) e_{\ell}(u) e_{i}(u)} . \end{aligned}

因此,如果 g~=e2ug\tilde{g}=e^{2 u} g,则度量 ggg~\tilde{g} 的标量曲率之间的关系为

R~=i=1nRc~(e~i,e~i)=e2u(R2(n1)Δu(n2)(n1)u2)\begin{align*} \tilde{R} & =\sum_{i=1}^{n} \widetilde{\operatorname{Rc}}\left(\tilde{e}_{i}, \tilde{e}_{i}\right) \\ & =e^{-2 u}\left(R-2(n-1) \Delta u-(n-2)(n-1)|\nabla u|^{2}\right) \tag{1.83} \end{align*}

注释 1.75。如果我们令 u1nfu \doteqdot-\frac{1}{n} f,其中 f:MnRf: M^{n} \rightarrow \mathbb{R},则有

R~=e2nf(R+2(11n)Δf(12n)(11n)f2)\tilde{R}=e^{\frac{2}{n} f}\left(R+2\left(1-\frac{1}{n}\right) \Delta f-\left(1-\frac{2}{n}\right)\left(1-\frac{1}{n}\right)|\nabla f|^{2}\right)

形式上,如果我们取 nn \rightarrow \infty,则有

R~R+2Δff2\begin{equation*} \tilde{R} \rightarrow R+2 \Delta f-|\nabla f|^{2} \tag{1.84} \end{equation*}

7.3. 高斯-博内公式#

我们使用移动框架法来证明黎曼几何中最基本的结果之一,即高斯-博内公式。它指出,对于一个封闭的黎曼曲面 (M2,g)\left(M^{2}, g\right),其高斯曲率(即标量曲率的一半)的积分等于 2π2\pi 乘以 M2M^{2} 的Euler特征。

定理 1.76 (高斯-博内)。如果 (M2,g)\left(M^{2}, g\right) 是一个封闭的定向黎曼曲面,则有

MKdA=2πχ(M)\int_{M} K dA = 2\pi \cdot \chi(M)

该公式的证明将占据本小节的剩余部分。令 {e1,e2}\left\{e_1, e_2\right\} 为开集 UMU \subset M 中的一个局部正定向正交基底,从而

dA=ω1ω2dA = \omega^1 \wedge \omega^2

高斯-博内积分的被积项在局部是联络1-形式 ω12-\omega_1^2 的外导数:

KdA=dω12(1.85)K dA = -d\omega_1^2 \tag{1.85}

我们希望应用Stokes定理。由于 ω12\omega_1^2 只在局部定义,我们不能全局应用Stokes定理。然而,我们可以选择在 MM 上除去有限个点的区域上构造正交框架场。实际上,设 VC(M)V \in C^{\infty}(M) 是一个光滑向量场,它在有限个点 p1,,pkp_1, \dots, p_k 处具有孤立零点(例如,我们可以取 VVMM 上Morse函数的梯度)。在 M2{p1,,pk}M^2 - \{p_1, \dots, p_k\} 上,令

e1=VVe_1 = \frac{V}{|V|}

然后 e2e_2 通过条件 {e1,e2}\{e_1, e_2\} 为正定向正交框架场唯一确定。

引理 1.77。对于 ε<inj(M2,g)\varepsilon < \operatorname{inj}(M^2, g),令 B(pi,ε){xM:d(x,pi)<ε}B(p_i, \varepsilon) \doteqdot \{x \in M: d(x, p_i) < \varepsilon\},对于 i=1,,ki=1, \dots, k,高斯-博内的被积项可以重写为

MKdA=i=1klimε0B(pi,ε)ω12\int_M K dA = \sum_{i=1}^k \lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \int_{\partial B(p_i, \varepsilon)} \omega_1^2

证明。根据(1.85)、Stokes定理,并考虑方向,我们有

MKdA=limε0Mi=1kB(pi,ε)dω12=limε0i=1kB(pi,ε)ω12(1.86)\int_M K dA = -\lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \int_{M - \bigcup_{i=1}^k B(p_i, \varepsilon)} d\omega_1^2 = \lim_{\varepsilon \rightarrow 0} \int_{\bigcup_{i=1}^k \partial B(p_i, \varepsilon)} \omega_1^2 \tag{1.86}

我们将证明(1.86)右侧的边界积分趋近于向量场 VV 的指数的 2π2\pi 倍。

引理 1.78.

limϵ0B(pi,ε)ω12=2πindexpi(V)\begin{equation*} \lim _{\epsilon \rightarrow 0} \int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \omega_{1}^{2}=2 \pi \cdot \operatorname{index}_{p_{i}}(V) \tag{1.87} \end{equation*}

假设该引理成立,我们可以完成 高斯-博内公式的证明。使用 (1.86)、(1.87) 和庞加莱-霍普夫定理,我们有

MKdA=2πi=1kindexpi(V)=2πindexM(V)=2πχ(M)\int_{M} K d A=2 \pi \sum_{i=1}^{k} \operatorname{index}_{p_{i}}(V)=2 \pi \cdot \operatorname{index}_{M}(V)=2 \pi \cdot \chi(M)

我们以 引理 1.78 的证明结束本节。给定 1ik1 \leq i \leq k,设 ν\nu 表示 B(pi,ε)\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right) 的单位外法向量场,TT 表示 B(pi,ε)\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right) 的单位切向量场,使得 {ν,T}\{\nu, T\} 构成正定框架。用单位速度路径参数化 B(pi,ε)\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)

γi:[0,Li]B(pi,ε)M\gamma_{i}:\left[0, L_{i}\right] \rightarrow \partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right) \subset M

使得 dγi/ds=Td \gamma_{i} / d s=T。我们定义角度函数

θ:[0,Li]R\theta:\left[0, L_{i}\right] \rightarrow \mathbb{R}

如下所示

T(γi(s))cosθ(s)e1(γi(s))+sinθ(s)e2(γi(s))T\left(\gamma_{i}(s)\right) \doteqdot \cos \theta(s) \cdot e_{1}\left(\gamma_{i}(s)\right)+\sin \theta(s) \cdot e_{2}\left(\gamma_{i}(s)\right)

我们要求 θ\theta 是光滑的,以确保它仅定义到 2π2 \pi 的整数倍。单位外法向量场 ν\nu 给出

ν(γi(s))=sinθ(s)e1(γi(s))cosθ(s)e2(γi(s))\nu\left(\gamma_{i}(s)\right)=\sin \theta(s) \cdot e_{1}\left(\gamma_{i}(s)\right)-\cos \theta(s) \cdot e_{2}\left(\gamma_{i}(s)\right)

围绕 γi\gamma_{i} 走一圈后角度 θ\theta 的变化为

θ(Li)θ(0)=2π(indexpi(V)1)\theta\left(L_{i}\right)-\theta(0)=-2 \pi\left(\operatorname{index}_{p_{i}}(V)-1\right)

上述关于角度 θ\theta 的讨论与 (1.87) 中的边界积分相关,如下所述。

子引理.

ω12(T)=κTθ\begin{equation*} \omega_{1}^{2}(T)=\kappa-T \theta \tag{1.88} \end{equation*}

其中 κTT,ν\kappa \doteqdot-\left\langle\nabla_{T} T, \nu\right\rangleB(pi,ε)\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right) 的测地曲率。

子引理的证明。我们计算

TT=T(cosθe1+sinθe2)=T(cosθ)e1+T(sinθ)e2+cosθTe1+sinθTe2=sinθTθe1+cosθTθe2+cosθω12(T)e2+sinθω21(T)e1=ν(Tθ+ω12(T))\begin{aligned} \nabla_{T} T & =\nabla_{T}\left(\cos \theta \cdot e_{1}+\sin \theta \cdot e_{2}\right) \\ & =T(\cos \theta) \cdot e_{1}+T(\sin \theta) \cdot e_{2}+\cos \theta \cdot \nabla_{T} e_{1}+\sin \theta \cdot \nabla_{T} e_{2} \\ & =-\sin \theta \cdot T \theta \cdot e_{1}+\cos \theta \cdot T \theta \cdot e_{2}+\cos \theta \cdot \omega_{1}^{2}(T) e_{2}+\sin \theta \cdot \omega_{2}^{1}(T) e_{1} \\ & =-\nu \cdot\left(T \theta+\omega_{1}^{2}(T)\right) \end{aligned}

这意味着

κ=TT,ν=Tθ+ω12(T)\kappa=-\left\langle\nabla_{T} T, \nu\right\rangle=T \theta+\omega_{1}^{2}(T)

dsd sB(pi,ε)\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right) 的弧长元。根据 (1.88) 和微积分基本定理,我们有

B(pi,ε)ω12=B(pi,ε)ω12(T)ds=B(pi,ε)(κTθ)ds=B(pi,ε)κdsθ(Li)+θ(0)=B(pi,ε)κds+2π(indexpi(V)1)\begin{aligned} \int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \omega_{1}^{2} & =\int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \omega_{1}^{2}(T) d s=\int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)}(\kappa-T \theta) d s \\ & =\int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \kappa d s-\theta\left(L_{i}\right)+\theta(0) \\ & =\int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \kappa d s+2 \pi\left(\operatorname{index}_{p_{i}}(V)-1\right) \end{aligned}

因为

limϵ0B(pi,ε)κds=2π\lim _{\epsilon \rightarrow 0} \int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \kappa d s=2 \pi

我们得出

i=1klimϵ0B(pi,ε)ω12=2πi=1kindexpi(V)\sum_{i=1}^{k} \lim _{\epsilon \rightarrow 0} \int_{\partial B\left(p_{i}, \varepsilon\right)} \omega_{1}^{2}=2 \pi \cdot \sum_{i=1}^{k} \operatorname{index}_{p_{i}}(V)

至此,引理和高斯-博内公式均已证明。

7.4 移动标架适应于超曲面#

研究黎曼流形中的超曲面对探究这些流形的几何具有重要作用。例如,在三维流形中,极小曲面有助于理解周围三维流形的拓扑结构。设(Pn,gP)\left(P^{n}, g_{P}\right)为一个黎曼流形,并且DD表示其对应的协变导数(Levi-Civita 连接)。给定超曲面Mn1PnM^{n-1} \subset P^{n},令{ei}i=1n\left\{e_{i}\right\}_{i=1}^{n}为包含Mn1M^{n-1}上一点的邻域UPnU \subset P^{n}中的一个移动标架。(Pn,gP)\left(P^{n}, g_{P}\right)的连接1-形式{ωij}i,j=1n\left\{\omega_{i}^{j}\right\}_{i, j=1}^{n}满足

DXei=j=1nωij(X)ej.D_{X} e_{i}=\sum_{j=1}^{n} \omega_{i}^{j}(X) e_{j} .

现在假设标架适应于Mn1M^{n-1},即enνe_{n} \doteqdot \nuMn1M^{n-1}的法向量。第一基本形式定义为

gM(X,Y)gP(X,Y)\begin{equation*} g_{M}(X, Y) \doteqdot g_{P}(X, Y) \tag{1.89} \end{equation*}

对于X,YTMn1X, Y \in T M^{n-1},这也称为超曲面上的诱导黎曼度量。第二基本形式为

h(X,Y)DXν,Y=ωnj(X)Y,ej\begin{equation*} h(X, Y) \doteqdot\left\langle D_{X} \nu, Y\right\rangle=\omega_{n}^{j}(X)\left\langle Y, e_{j}\right\rangle \tag{1.90} \end{equation*}

对于切于Mn1M^{n-1}XXYY,第二基本形式测量超曲面的外在几何,例如法向量的非平行性。令hijh(ei,ej)=ωnj(ei)h_{i j} \doteqdot h\left(e_{i}, e_{j}\right)=\omega_{n}^{j}\left(e_{i}\right),因此

ωnj=i=1n1hijωi\omega_{n}^{j}=\sum_{i=1}^{n-1} h_{i j} \omega^{i}

平均曲率是第二基本形式的迹:

Hi=1nh(ei,ei)H \doteqdot \sum_{i=1}^{n} h\left(e_{i}, e_{i}\right)

诱导的gMg_{M}的Levi-Civita连接\nabla满足

Xei(DXei)T=j=1n1ωij(X)ej\nabla_{X} e_{i} \doteqdot\left(D_{X} e_{i}\right)^{T}=\sum_{j=1}^{n-1} \omega_{i}^{j}(X) e_{j}

这里T{ }^{T}表示向量的切向分量。因此{ωij}i,j=1n1\left\{\omega_{i}^{j}\right\}_{i, j=1}^{n-1}(Mn1,gM)\left(M^{n-1}, g_{M}\right)的连接1-形式。第二结构方程为我们提供了环境流形和超曲面的曲率公式:

(RmP)ij=dωijk=1nωikωkj,i,j=1,,n(RmM)ij=dωijk=1n1ωikωkj,i,j=1,,n1\begin{array}{ll} \left(\operatorname{Rm}_{P}\right)_{i}^{j}=d \omega_{i}^{j}-\sum_{k=1}^{n} \omega_{i}^{k} \wedge \omega_{k}^{j}, & i, j=1, \ldots, n \\ \left(\operatorname{Rm}_{M}\right)_{i}^{j}=d \omega_{i}^{j}-\sum_{k=1}^{n-1} \omega_{i}^{k} \wedge \omega_{k}^{j}, & i, j=1, \ldots, n-1 \end{array}

因此,对于i,j=1,,n1i, j=1, \ldots, n-1,我们有

(RmM)ij=(RmP)ij+ωinωnj=(RmP)ijhikhjωkω.\begin{aligned} \left(\operatorname{Rm}_{M}\right)_{i}^{j} & =\left(\operatorname{Rm}_{P}\right)_{i}^{j}+\omega_{i}^{n} \wedge \omega_{n}^{j} \\ & =\left(\operatorname{Rm}_{P}\right)_{i}^{j}-h_{i k} h_{j \ell} \omega^{k} \wedge \omega^{\ell} . \end{aligned}

应用于(ek,e)\left(e_{k}, e_{\ell}\right),我们得到Gauss方程

(RmM)ijk=(RmP)ijk+hihjkhikhj\begin{equation*} \left(\operatorname{Rm}_{M}\right)_{i j k \ell}=\left(\operatorname{Rm}_{P}\right)_{i j k \ell}+h_{i \ell} h_{j k}-h_{i k} h_{j \ell} \tag{1.91} \end{equation*}

练习 1.79 证明

(RcM)jk=(RcP)jk(RP)njkn+Hhjkhjhk\left(\operatorname{Rc}_{M}\right)_{j k}=\left(\operatorname{Rc}_{P}\right)_{j k}-\left(R_{P}\right)_{n j k n}+H h_{j k}-h_{j \ell} h_{\ell k}

以及

RM=RP2(RcP)nn+H2h2\begin{equation*} R_{M}=R_{P}-2\left(\operatorname{Rc}_{P}\right)_{n n}+H^{2}-|h|^{2} \tag{1.92} \end{equation*}

对于j=1,,n1j=1, \ldots, n-1,我们有

(RmP)nj=dωnjk=1n1ωnkωkj\left(\operatorname{Rm}_{P}\right)_{n}^{j}=d \omega_{n}^{j}-\sum_{k=1}^{n-1} \omega_{n}^{k} \wedge \omega_{k}^{j}

(1,1)-张量Wj=1n1ωnjejW \doteqdot \sum_{j=1}^{n-1} \omega_{n}^{j} e_{j}是Weingarten映射。将WW视为一个取值于TMn1T M^{n-1}的1-形式,我们有

dW=j=1n1(RmP)njejd_{\nabla} W=\sum_{j=1}^{n-1}\left(\mathrm{Rm}_{P}\right)_{n}^{j} e_{j}

这是一个取值于TMn1T M^{n-1}的2-形式。

练习 1.80 (Codazzi 方程) 证明对于切于Mn1M^{n-1}的向量X,Y,ZX, Y, Z

(Xh)(Y,Z)(Yh)(X,Z)=RmP(X,Y)Z,ν\left(\nabla_{X} h\right)(Y, Z)-\left(\nabla_{Y} h\right)(X, Z)=-\left\langle\operatorname{Rm}_{P}(X, Y) Z, \nu\right\rangle

在第4章和第9章中关于梯度Ricci孤立子的研究中,我们将特别有用地考虑由光滑函数f:MnRf: M^{n} \rightarrow \mathbb{R}的水平集产生的超曲面。对于ff的任何正则值cRc \in \mathbb{R}(即对于所有满足f(x)=cf(x)=cxMx \in Mf(x)0\nabla f(x) \neq 0),根据隐函数定理,水平集f1(c)f^{-1}(c)是一个光滑超曲面。水平集f1(c)f^{-1}(c)的第二基本形式为

h(V,W)=Hess(f)(V,W)f\begin{equation*} h(V, W)=\frac{\operatorname{Hess}(f)(V, W)}{|\nabla f|} \tag{1.93} \end{equation*}

事实上,ν=ff\nu=\frac{\nabla f}{|\nabla f|}f1(c)f^{-1}(c)的单位法向量。对于V,WTf1(c)V, W \in T f^{-1}(c),我们有

h(V,W)=Vν,W=Vff,W=Vff,W=1fHess(f)(V,W)\begin{aligned} h(V, W) & =\left\langle\nabla_{V} \nu, W\right\rangle=\left\langle\nabla_{V} \frac{\nabla f}{|\nabla f|}, W\right\rangle \\ & =\left\langle\frac{\nabla_{V} \nabla f}{|\nabla f|}, W\right\rangle=\frac{1}{|\nabla f|} \operatorname{Hess}(f)(V, W) \end{aligned}

因为f,W=0\langle\nabla f, W\rangle=0。特别地,如果ff是(严格)凸的(f0\nabla \nabla f \geq 0f>0\nabla \nabla f>0),那么任何光滑的超曲面f1(c)f^{-1}(c)是(严格)凸的(h0h \geq 0h>0h>0)。