设$M$是一光滑无边的流形, $X_{0}: {M}\rightarrow{R^{n+m}}$是一个浸入子流形, 考虑欧式空间中一簇单参数光滑超曲面浸入映射$X(0, t):{M}\times{[0, T)}\rightarrow{R^{n+m}}$, 它满足如下发展方程:
其中$H(x, t)$是$X(x, t)$平均曲率向量.如果$H=-\frac{X^{N}}{2}$且$X^{N}=\langle X, e_{\alpha}\rangle$, 其中$e_{\alpha}$是流形$M$的法向量场且$\alpha=n+1, n+2, \cdots, n+m$, 则$M$称为self-shrinkers.当$m=1$时, $M$则为超曲面, 这时$X^{N}=\langle X, v\rangle$, 这里$v$是$M$的单位法向量.
对于光滑紧致定向的$n$维黎曼流形$M$, 令$\wedge^{p}(M)$表示$p$阶光滑微分形式构成的空间, $\Delta$是作用在$\wedge^{p}(M)$上的拉普拉斯算子.再令spec$^{p}(M)$表示算子$\Delta$在$\wedge^{p}(M)$上的谱.关于谱与流形之间有一个著名的问题:黎曼流形$M$的spec$^{\ast}(M)$是否决定$M$的几何结构?一般情况下是不成立的, Milnor [1], Vigneras[2]和Ikeda [3]分别给除了一些反例.但是, 对于一些特殊流形还是有肯定的答案的. Berger, Patodi以及Tanno等分别在文献[4-6]得到了一些有意义的结果; 李光汉和吴传喜在文献[8]中得到了关于球面中具有常平均曲率超曲面的谱特征; 李振和和王伟在文献[7]中得到了关于球面上Willmore超曲面的谱特征, 即若此超曲面与Willmore torus具有相同的平均曲率, 且二者的谱相等, 则此超曲面为Willmore torus.
本文主要研究了欧氏空间中self-shrinkers谱特征的问题.
主要定理 设$M$是$R^{n+1}$上的$n(n\geq2)$维闭self-shrinkers, 且$M$和$S^{n}(\sqrt{2n})$有相同的平均曲率, 如果spec$^{p}(M) =$spec$^{p}(S^{n}(\sqrt{2n}))~(p=0, 1, 2)$, 则$M$是$S^{n}(\sqrt{2n})$.
设$M$是$R^{n+1}$中$n$维紧致self-shrinker.令$R$, Ric和$\rho$分别表示$M$的黎曼曲率张量, Ricci曲率张量和数量曲率张量, 并用$R_{ijkl}$和$R_{ij}$分别表示$R$和Ric的分量, 则Guass方程表示为
这里这里$h_{ij}$表示$M$在$R^{n+1}$上的第二基本形式$B$的分量.
对于任意固定的${x}\in{M}$, 都可以选取幺正标架场$e_{1}, e_{2}, \cdots, e_{n}$, 使得$(h_{ij})$在$x$点可以对角化, 即
令$H$和$S$分别表示$M$的平均曲率和第二基本形式模长的平方, 则
由(2.2) 式知
则有
故由模长的定义可知
另外, 对于$p=0, 1, 2, \cdots, n$有
而对于这些特征值, 有Minakshisundaram-Pleijel渐进展开式:
这里系数${a_{k, p}}(k=0, 1, 2)$ (参看文献[5]), 有以下计算式:
这里$dv$表示$M$的体积元, 且
这里当$l<0$或$p<0$或$l<p$时,
设$S^{n}(\sqrt{2n})$是$R^{n+1}$中的超球面, 因为$\lambda_{1}=\lambda_{2}=\cdots=\lambda_{n}=\sqrt{\frac{1}{2n}}$, 则$S^{n}(\sqrt{2n})$的平均曲率$H_{0}=\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda_{i}=n\sqrt{\frac{1}{2n}}=\sqrt{\frac{n}{2}}$, 并且$S_{0}= |B_{0}|^{2}=\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda_{i}^{2}=n(\sqrt{\frac{1}{2n}})^{2}=\frac{1}{2}$.
对于self-shrinkers, 在文献[10]中有以下定理:
定理 1 设$M$是$R^{n+m}$中完备的$n$维self-shrinker, 且$|B|^{2}\leq\frac{1}{2}$, 则要么$|B|^{2}\equiv0$, 此时$M$是一个平面; 要么$|B|^{2}\equiv\frac{1}{2}$, 此时$M$是${S^{k}(\sqrt{2k})}\times{R^{n-k}}~~({1}\leq{k}\leq{n})$.
当$n=2$时, 由文献[10]中的定理4.2即得结论.现假设$n\geq4$, 令$a_{k, p}$和$a_{k, p}^{0}$分别表示$M$和$M_{0}=S^{n}$ $(\sqrt{2n})$的Minakshisundaram-Pleijel渐进展开式的系数, 若spec$^{p}(M)=$spec$^{p}(M_{0})~(p=0, 1, 2)$, 则有$a_{k, p}=a_{k, p}^{0}$, 结合(2.10)-(2.15) 式以及
(对一些$p$), 得
由(3.1)-(3.3) 式以及$H=H_{0}$知
若将上式看作关于$\int_{M}S^{2}dv-\int_{M_0}S^{2}_0dv_0$, $\int_{M}\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda_{i}^{4}dv-\int_{M_0}\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda{_{i}^0}^{4}dv_0$和$H\int_{M}\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda_{i}^{3}dv-\int_{M_0}H_0\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda{_{i}^0}^{3}dv_0$的线性方程组, 并且有
则(3.5) 式有唯一的解, 得
由柯西-斯瓦兹不等式及(3.4) 式得
故有$ S=S_{0}, $所以$ |B|^{2}=S=S_{0}=|B_{0}|^{2}=\frac{1}{2}. $再由第二部分中的定理1即得$M$是超球面$S^{n}(\sqrt{2n})~(n\geq4)$.
当$n=3$时, 仍有(3.1)-(3.5) 式成立, 并且, 此时有
将(3.6) 式代入(3.1)-(3.3) 式中得到
其中$p=0, 1$.
同时将上式看作$\int_{M}S^{2}dv-\int_{M_0}S^{2}_0dv_0$和$\int_{M}\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda_{i}^{4}dv-\int_{M_0}\sum\limits_{i=1}^{n}\lambda{_{i}^0}^{4}dv_0$的线性方程组, 且
则以上方程有唯一的解, 因此$ \int_{M}S^{2}dv=\int_{M_{0}}S_{0}^{2}dv_{0}. $同$n\geq4$情形的方法可得$M=S^{3}(\sqrt{6})$.
综上, 定理得证.