定义第$r$阶平均曲率
$S_{r}$与基底的选取无关, $S_{r}$不变.事实上, 对基底作正交变换
若$H_{r+1}=0$, 则称$x:M^{n}\rightarrow S^{n+1}$是$r$ -极小的.
第$r$个牛顿算子$\displaystyle T_{rij}=\frac{1}{r!} \varepsilon ^{i_{1}\cdots i_{r}i} _{j_{1}\cdots j_{r}j}h_{i_{1}j_{1}}\cdots h_{i_{r}j_{r}}.$定义
记$B=(h_{ij}),$易有
因此有$T_{r}=S_{r}I-T_{r-1}B.$此外
即$rS_{r}={\rm tr}(T_{r-1}B).$当$r=1$时, 记$T_{1ij}=T_{ij}.$
定义算子
特别地,
即$L_{0}=\triangle$.
易知此算子为$\triangle$算子的推广.当$r=1$时, 记$L_{1}=L$.
经计算有$L_{r}x=(r+1)S_{r+1}e_{n+1}-c(n-r)S_{r}x,$当$r=0$时, 就是Takahashi定理$\Delta x=nHe_{n+1}-ncx.$
最近, 有作者用高阶平均曲率给出了球面的一些特征(如文献[1, 2]), 本文研究高阶极小超曲面及其高斯映射的进一步性质.
设$x:M^{n}\rightarrow S^{n+1}$为紧致的极小(0 -极小)超曲面, $\Delta x=-nx (\text {此时} H=0,c=1).$
若$x(M^{n})$包含在$S^{n+1}$的闭半球中, 则有常向量$\vec{a}$, 使$\langle x,\vec{a}\rangle \geq 0.$故
令
$x^{A}$是定义在上$M^{n}$的函数, 且
故$\Delta \langle x,\vec{a}\rangle=\langle \Delta x,\vec{a}\rangle \leq 0,$即$\langle x,\vec{a}\rangle $为下调和函数.由Hopf引理, 及$\Delta \langle x,\vec{a}\rangle=0$知$\langle x,\vec{a}\rangle=0,$则$x(M^{n})=S^{n}\subset S^{n+1}$.而$S^{n}$在$S^{n+1}$中是全测地的, 也就下述经典定理:
定理A $S^{n+1}$中紧致极小超曲面不全含在$S^{n+1}$中的一个开半球中.
推广上面定理有
引理1 对$S^{n+1}$中紧致$r$ -极小超曲面, 若$T_{r}$有定, 则其不全含在$S^{n+1}$的一个开半球中.
证 假设若能全含在$S^{n+1}$的一个开半球中, 则存在常向量$\vec{a}$, 使
此时$S_{r+1}=(\begin{array}{c} n \\ r+1 \end{array})H_{r+1}=0,c=1.$令$\varphi (x)=\langle x,\vec{a}\rangle,$类似$\Delta $算子的证明有
由于$T_{r}=S_{r}I-T_{r-1}B,rS_{r}={\rm tr}(T_{r-1}B)$, 则
若$(T_{rij})$正定的, 则$S_{r}=\frac{1}{n-r}{\rm tr}(T_{r})>0.$由于易有$L_{r}$关于$L^{2}$ -内积是自伴的, 则有$\displaystyle\int _{M}L_{r}(\varphi )d_{M}=0$.故
即$\langle x,\vec{a}\rangle=0$, 与假设矛盾.
引理2 [2] 对于球中$r$ -极小超曲面, $L_{r}$是椭圆算子的充要条件为rank$(h_{ij})>r$.
从此引理及引理1就有
定理1 对于$S^{n+1}$中紧致$r$ -极小超曲面, 如果rank$(h_{ij})>r$, 则其不全含在$S^{n+1}$的一个开半球中.
有类似Hopf引理如下
定理* 若$(T_{ij})$有定, $L(f)=0$(或$L(f)\geq 0$或$L(f)\leq 0$), 则$f=$const.
证
由于$\displaystyle\int _{M}gL(f)d_{M}=\int _{M}fL(g)d_{M}$, 则有$\displaystyle\int _{M}L(f)d_{M}=0.$若$L(f)=0$, $(T_{ij})$正定, 则
故$\displaystyle \int _{M}T_{ij}f_{i}f_{j}d_{M}=0.$又因$T_{ij}f_{i}f_{j}\geq 0$ ($(T_{ij})$正定), 则$T_{ij}f_{i}f_{j}=0.$故$f_{i}=0$即$f=$const.
若$L(f)\geq 0$, 且$\displaystyle\int _{M}L(f)d_{M}=0$, 则$L(f)=0$.故$f=$const, 对于$L(f)\leq 0$, 亦成立.
同理, 当$(T_{ij})$负定时, 类似证明.
定义$f:=\langle x,A\rangle$, A为常向量, 则
故有$f_{i}=\langle e_{i},A\rangle$.由于
则
故有
则有
即
由于$T_{ij}=nH\delta _{ij}-h_{ij}\Rightarrow T_{ii}=nH-h_{ii},$则有
在$S^{n+1}(c)$中, 纯量曲率$R=n^{2}H^{2}-S+n(n-1)c,$其中$S=\sum _{i,j}(h_{ij})^{2},$则
若$H=0$即极小时, $R\neq n(n-1)c\Leftrightarrow n^{2}H^{2}\neq S\Leftrightarrow S_{2}\neq 0$, $\langle e_{n+1},\vec{a}\rangle \geq 0$即$x$的Gauss映射像包含在一个闭半球中, 则当$(T_{ij})$有定时, 利用定理*有$\langle e_{n+1},\vec{a}\rangle =0.$
故得到
定理2 对$S^{n+1}(c)$中的紧致极小超曲面, 若$(T_{ij})$有定且$S_{2}\neq 0$, 则其Gauss映射像不全含在$S^{n+1}(c)$的一个开半球中.
设$x:M^{n}\rightarrow R^{n+p} (p\geq 2)$为紧致常平均曲率($H$=const)子流形, $e_{n+1}$为法化平均曲率, 则$\Delta x=nHe_{n+1}-ncx=nHe_{n+1} (\text {此时} c=0)$.若$\langle e_{n+1},\vec{a}\rangle \geq 0$, 即$x$的法化平均曲率的Gauss映射($e_{n+1}:M^{n}\rightarrow S^{n+p-1}$)像包含在的一个闭半球中.因为
所以$\langle x,\vec{a}\rangle$为上调和函数.故$\langle e_{n+1},\vec{a}\rangle =0.$ $x$的法化平均曲率的Gauss映射像落在$S^{n+p-2}(\subset S^{n+p-1})$中, 进而$\langle x,\vec{a}\rangle =0,x(M^{n})\subset R^{n+p-1}.$
当$p=1$时, $e_{n+1}:M^{n}\rightarrow S^{n}.$易证$e_{n+1}$为一满射, 即此时覆盖了球至少一次.
事实上, 设$n_{0}\in S^{n}$是一个固定点, 考虑函数$f=\langle x,n_{0}\rangle: M^{n}\rightarrow R.$由于$M^{n}$是紧致的, 则$f$在$M^{n}$上有最大值, 即存在$x_{0}\in M^{n}$, 使得
亦即$n_{0}$是$M^{n}$在$x_{0}$的法向量, 则存在$x_{0}$, 使$e_{n+1}(x_{0})=n_{0}$, 即$e_{n+1}$是满射.故对于$p=1$时相关的假设不成立.
定理3 $R^{n+p}$中常平均曲率子流形$M^{n}$的法化平均曲率的Gauss映射像若含在$S^{n+p-1} (p\geq 2)$的一个开半球中, 则$M^{n}$必为$R^{n+p-1}$中子流形.