这篇文章是 Ricci曲率张量大于0的3维闭流形上的Ricci 的第四部分。这篇文章主要介绍两部分内容:一、关于Ricci流解的长时间存在性的一个基本结果,二、Ricci流有限时间奇点的分析。
这篇文章主要参考了 [1] 和 [3]。
一、关于Ricci流解的长时间存在性的一个基本结果
【定理1】设 为 维闭流形 上Ricci流的解,且 为解的最大存在时间。如果 ,则 。
【注1】1. 这个结果是一个一般性的结果,对于 维流形都成立。
2. 由定理1我们可以知道,若存在与时间无关的常数 ,使得 ,则 。因此,如果曲率张量的模有一个一致的控制,那么Ricci流的解是长时间存在的,这是长时间存在性的一个判定方法。
【证明】记 ,我们用反证法,即假设 且 。此时,存在与时间无关的常数 ,使得 ,因此 。
第一步,证明当 时, 一致收敛于一个连续的、对称正定的二阶协变张量 :首先我们指出一个一般的不等式 ,这可以在任意一点处的一个正交标架下计算(实际上这就是trace不等式): 。因此,由 可得 ,其中 是不依赖于时间的常数。
对于任意的 ,令 ,于是 ,且 。所以对于任意 , 。由这个不等式可得到两个估计: 有上界, ;并且 。由这两个估计可知 ,故由Cauchy收敛定理可知,存在实数 ,使得 。又注意到:第一, ;
第二,当 时 ,而当 时又利用 可得下界估计 ;第三, ; 第四, 。因此 是一个模长。
现在,如果 是 上的连续切向量场,则利用上面的结果我们可以得到两个与 无关的一致的控制: ,以及 。因此利用类似上面的方法可得,在 时, 以不依赖于 的方式一致收敛于 上的连续函数 。同时,由 时刻的平行四边形公式 ,令 可得 时刻也满足平行四边形公式,因此模长 可以由一个内积 诱导,即令 。因为 一致收敛于 ,故 也一致收敛于 ;利用 在 上连续可知 也连续。故 是 上的一个连续的、对称正定的二阶协变张量。
第二步,证明 实际上是 的,从而 成为 上的黎曼度量,且 收敛于 :由于 为闭流形,我们可以取 上有限个适当的局部坐标邻域覆盖 满足:第一,每个局部坐标邻域都包含在一个更大的紧的局部坐标邻域内,这样 时刻的所有几何量的绝对值在每一个局部坐标系中都是有界的,例如 等等;第二, 时刻的模长 与每一个局部坐标系下的欧氏模(记为 ,其中 为切向量)都是等价的,且相差倍数为常数 , 对每个局部坐标系都一致: 。注意到上面我们已经证明了 ,这就是说明了 与 等价,相差的倍数与 无关,从而 也与 是等价的,相差的倍数也与 无关。
要证明 是 的,只需在上述的每一个局部坐标系 下证明 在 时一致收敛即可,其中 为任意多重指标, 代表对相应的局部坐标 求偏导数。这是因为由数学分析的定理可知,光滑函数 一致收敛于 且所有一阶偏导数 一致收敛时,我们可以得到 的所有一阶偏导数连续,且 一致收敛于 。对于二阶偏导数、三阶偏导数等也是类似的。因此当 对任意多重指标 都一致收敛时,可得 的所有阶偏导数都连续,也就是说 是光滑函数,从而 在覆盖 的局部坐标系下的分量都是光滑的,所以 是 的。同时在上述每一个局部坐标系下 一致收敛于 ,于是 收敛于 。
要证明 一致收敛,我们首先有 。(以下常数 可以在不同式子中代表不同的值,且都不依赖于时间和局部坐标系)因此我们只需证明,对任意多重指标 ,存在与时间和局部坐标系无关的常数 使得 ,那么就有 ,故由Cauchy收敛定理可得到 一致收敛。
由 数量曲率的梯度估计,曲率张量高阶协变微分的估计 中最后关于曲率张量的高阶协变微分的估计,我们可得 ,因此关键在于将关于高阶协变微分的估计 转化为局部坐标系下关于偏导数估计 。由trace不等式我们可以得到 ,先看一阶的情形: ,故取绝对值 。注意到,局部坐标系的选取使得 与局部坐标系下的欧氏模 是等价的,且相差的倍数与时间无关,于是它们在一般的张量上诱导的模也是等价的,相差的倍数也与时间无关(注:可以在将 特征值对角化的欧氏模正交标架下验证)。因此对几何量的绝对值,有以下的估计 。因此我们只需要估计绝对值 即可: , ,从而 ,从而我们完成了一阶偏导数的估计。
高阶偏导数的估计是完全类似的,用归纳法就可以完成,只不过需要估计额外的项 。以二阶偏导数估计为例,注意到 ,其中省略号的部分是已经估计过的项。于是,我们只需估计 即可: ,注意到 是张量,故有 ,同时 用二阶协变微分的估计 以及 就能控制,因此最终 ,从而我们完成了二阶偏导数的估计。更高阶偏导数中出现的 也可逐步使用这里的方法估计,于是我们完成了第二步。
第三步,导出矛盾,完成定理的证明:由于 时刻 为 上的黎曼度量,因此由Ricci流的短时间存在性可知, 有短时间的光滑解,设解的存在区间为 。于是令
,则 定义在 上,且由 时 收敛于 可知 在 时刻的拼接也是光滑的,它是Ricci流的整体光滑解,这与 是Ricci流的最大存在时间矛盾,因此定理1得证。(//只证明了关于空间方向光滑,忘记证明关于时间方向光滑了)
【推论1】定理1中的结论可改进为 。
【证明】用反证法。若不然,则存在常数 以及一列严格单调上升的时间 使得 ,其中 。取定一个充分大的 ,使得 。由下面的引理1可知 ,这与定理1中得到的 矛盾,故命题得证。
【引理1】(Doubling time estimate,[2])设 为闭流形 上Ricci流的解,且 时 ,则 。
【注2】这个引理的证明并不困难,属于 数量曲率的梯度估计,曲率张量高阶协变微分的估计 中最后部分的内容,有机会再一起补充完整。这个引理说明当 在某一时刻上界被 控制时, 不能增长太快,要想它加倍至少要经过一个短时间 。
【推论2】设 为闭三维流形 上Ricci流的解, 为解的最大存在时间,且 ,则 ,其中 。
【证明】首先我们指出,在三维流形上有一个一般的不等式 ,其中 为绝对常数。这是因为利用Weyl张量为0的条件 在单位正交标架下我们可以得到 ,再利用trace不等式 即可得到 的估计。
现在,由于我们已经证明过 时, 且 ,因此,由推论1 ,从而由 可得 。最后我们证明过 在Ricci流下是保持的,此时 且 ,故 ,证毕
二、Ricci流有限时间奇点的分析
现在,我们可以得出在 时Ricci流的一些几何性质,这将在分析规范化的Ricci流的几何性质时用到。
【定理2】设 为三维闭流形 上Ricci流的解, 为最大存在解时间,且 ,则 ,其中 。
【证明】首先由推论2, ,再利用 数量曲率的梯度估计,曲率张量高阶协变微分的估计 中数量曲率的梯度估计 ,可以对数量曲率的变化速度进行控制,具体如下:
,且存在充分接近于 的时刻 使得 ,因此 。现在对于一个固定的时刻 ,设 使得 ,并考虑 时刻 上的测地球 ,其中 为待定常数。注意到 Ricci曲率张量大于0的3维闭流形上的Ricci流 中最后我们证明了存在常数 使得 ,即Ricci曲率有下界 ,故由Myers定理 是紧的,因此是完备的。
于是对于任意一点 ,存在从 到 的 中最短测地线 ,其中 。注意到 ,因此 。由于 任意,故 。现在再取充分接近于 的时刻 使得 ,因此 。
现在再由 以及Myers定理可知,上述的从 出发的最短测地线 在长度 时不可能保持最短。注意到 ,如果我们取定待定常数 充分小使得 ,此时 可以只由 决定,那么 。
若 上存在一点 处于测地球 之外,由 完备可知,存在一条从 到 的最短测地线 。由于该测地线长度 ,因此 上存在一点 使得 上从 到 的部分 仍然是最短测地线,包含在 中,且长度 ,这与之前说的在长度 时测地线 不可能保持最短矛盾。因此 。因为我们之前在 中建立了不等式 ,因此 。 可以做到任意小,因此我们证明了 ,命题得证。
【推论3】在定理2的条件下, ,其中 。
【证明】首先我们设 是以下ODE的解: 。这个ODE总是有解的,因为 是关于 的连续函数(注:可以这样验证:对于两个充分接近的时刻 ,设 分别在 上达到,由 的连续性有 ,另一边的不等式也可以同样建立)。此时 。注意到 时 ,故 。从而 。因为在 时 ,由函数的最大值原理可知 在 上都成立,从而 。同时我们有 ,因此 。最后,由定理2知, ,因此存在充分接近于 的时刻 使得 ,由于 是数量曲率的积分平均值,故 。故 。其中 是因为在紧区间 上 的积分为有限值,故 减去一个有限值 后仍为 。至此,我们完成了推论3的证明。
【推论4】在定理2的条件下,
【证明】由 Ricci曲率张量的夹挤估计 我们可知 。由于 ,故 ,因此 ,证毕。
参考文献
[1] Chow, Bennett; Knopf, Dan. The Ricci flow: an introduction. Mathematical Surveys and Monographs, 110. American Mathematical Society, Providence, RI, 2004.
[2] Chow, Bennett; Lu, Peng; Ni, Lei. Hamilton's Ricci flow. Graduate Studies in Mathematics, 77. American Mathematical Society, Providence, RI; Science Press Beijing, New York, 2006.
[3] Hamilton, Richard S. Three-manifolds with positive Ricci curvature. J. Differential Geom. 17 (1982), no. 2, 255–306.
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:知乎用户(登录查看详情)
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