等参超曲面是高维微分几何中非常重要的研究对象, 在三维空间称为等参曲面, 这些曲面是一些平行曲面族.最简单的情况, 就是一个点波源诱发的球面波, 波前就是同心球面族; 然后是一个线波源, 诱发的同轴柱面族; 或者是一个面波源诱导的平行平面族.在三维欧氏空间$ \mathbb{R}^3 $中, 平行曲面之间的性质研究已出现在相关文献中, 参见文献[1].在三维双曲空间$ \mathbb{H}^3 $中, 平行曲面族的相关特征可参看文献[2, 3].自然的想法是, 在三维球空间中, 平行曲面族之间又有些什么样的特征?本文将给出一个初步的探讨.
设$ x:M^2\rightarrow S^3(c) $为三维球空间中的曲面, $ e_i $是$ x $的局部单位切标架, $ \omega_i $为其对偶标架, $ e_3 $为$ x $的单位法向量, 做$ M $的平行曲面族$ \{M_t\} $为
为方便起见, 我们约束指标范围$ 1\leq i,j\leq 2 $.对于$ x $而言, 有
其中$ h_{ij} $为$ M $的第二基本形式的系数.对(2.1)外微分并利用(2.2)可得
即$ \{e_i\} $也是$ T_{x_t}M_t $的标准基, 其对偶基为
而
为$ x_t $的单位法向量.一方面,
另一方面,
比较(2.6)和(2.7)式可得
引理2.1 $ S^3 $中的平行曲面$ M_t $的主曲率为
其中$ \theta_i $由$ \cot\theta_i = \lambda_{i} $确定.
证 由(2.8)式, 令$ h_{ij} = \lambda_i \delta_{ij} $可得
为便于主要定理的证明, 我们需要下面的引理.
引理2.2 设$ x:M^2\rightarrow S^3(c) $是三维球面上的光滑曲面, $ \lambda_1,\lambda_2 $是曲面上的两个主曲率, 则
(1) 两个主曲率$ \lambda_1,\lambda_2 $是曲面上的连续函数;
(2) 两个主曲率$ \lambda_1,\lambda_2 $是曲面上在非脐点处的光滑函数.
证 现取曲面$ x $的局部参数化$ (U,u,v)\in M^2,\ \ x:U\rightarrow S^3,\ x = x(u,v)\in S^3. $它的诱导度量和第二基本形式局部上分别表示为
由于曲面的光滑性, 因此度量张量的系数$ \{g_{11},g_{12},g_{22}\} $和第二基本形式的系数$ \{h_{11},h_{12},h_{22}\} $都是曲面$ x $上关于参数$ u,v $的光滑函数.这样矩阵
是两个光滑矩阵.既然$ A $是正定矩阵, 那么$ C = BA^{-1} $是一个光滑矩阵.由于曲面上的高斯曲率$ K $和平均曲率$ H $可以表达为
这样曲面上的高斯曲率$ K $和平均曲率$ H $都是曲面上的光滑函数, 即是参数$ u,v $的光滑函数.
现设$ \lambda_1,\lambda_2 $是曲面上的两个主曲率, 则$ \lambda_1+\lambda_2 = 2H, \ \ \lambda_1\lambda_2 = K, $从而有
注意到$ \sqrt{H^2-K} $在$ H^2-K>0 $处是光滑的, 即在非脐点处主曲率是光滑的, 从而引理得证.
定理3.1 $ M $有常主曲率的充要条件是$ \sum\limits_{i = 1}^2\lambda_{i}^k(t) $只是$ t $的函数($ k = 1,2,3 $).
证 必要性是显然的.故只需证明充分性即可, 先证明结论对$ k = 3 $时成立.设
对(3.1)式关于$ t $求导, 得
在(3.1)和(3.2)式中令$ t = 0 $, 从而得
由(3.3)和(3.5)式得
再由(3.4)和(3.6)式可得
上面的$ c_p,\ p = 1,2,\cdots, 6 $为常数.
由引理2.2知, $ M $上的主曲率$ \lambda_i $是局部坐标$ u,v $的函数, 因此在(3.3)和(3.4)式中分别对$ u,v $求偏导数可得
(3.9)式是以$ \frac{\partial\lambda_1}{\partial u},\frac{\partial\lambda_2}{\partial u},\frac{\partial\lambda_1}{\partial v},\frac{\partial\lambda_2}{\partial v} $为变元的齐次方程组, 它的系数行列式为
当
时, $ \lambda_i $为常数.
同理, 对(3.3)和(3.7)式做类似于(3.9)和(3.10)式的讨论可知, 当
综合(3.11)和(3.12)式可得, 当$ \lambda_{1}^2-\lambda_{2}^2\neq 0 $时, $ \lambda_i $为常数.若$ \lambda_{1} = \lambda_{2} $, 显然$ \lambda_i $为常数.因此只需证明当$ \lambda_{1}+\lambda_{2} = 0 $ ($ \lambda_i\neq 0 $)时, $ \lambda_i $为常数.事实上, 将$ \lambda_{2} = -\lambda_{1} $代入(3.4)和(3.8)式得
微分(3.13)式可得方程组
由(3.14)式可知$ 2\lambda_{1}^2+1 = 0 $与$ 10\lambda_{1}^4-3 = 0 $无公共解, 则必然有$ d\lambda_1 = 0 $, 即$ \lambda_1 $为常数, 由(3.3)式即得$ \lambda_2 $为常数. $ k = 3 $的情形证毕.
下证$ k = 2 $的情形.令
对(3.15)式两边关于$ t $求二阶导数得
在(3.15)和(3.16)式中令$ t = 0 $得
这里$ c_{7},c_{8} $为常数.由$ \lambda_{1}^4+\lambda_{2}^4 = \frac{1}{2}(\lambda_{1}^2+\lambda_{2}^2)^2+\frac{1}{2}(\lambda_{1}^2-\lambda_{2}^2)^2, $可知$ \lambda_{1}^{2} $和$ \lambda_{2}^{2} $是常数, 从而$ \lambda_{1} $和$ \lambda_{2} $是常数. $ k = 1 $的情形类似于$ k = 2 $, 此处不再赘述.
定理3.2 设$ \lambda_{1}\lambda_{2}\neq 0 $, 且$ \lambda_{1}(1-\lambda_{1}^{2})(1+\lambda_{2}^{4})\neq\lambda_{2}(1-\lambda_{2}^{2})(1+\lambda_{1}^{4}) $, 则$ M $具有常主曲率的充要条件是每个$ M_{t} $有常值的高斯曲率.
证 必要性是显然的, 下证充分性即可.令$ G(t) = \lambda_{1}(t)\lambda_{2}(t), $为$ M_t $的高斯曲率, 因为$ \lambda_{1}\lambda_{2}\neq 0 $, 所以当$ |t| $充分小时, 由引理2.1可知$ G(t)\neq 0 $.作函数
上式两边对$ t $求导得
令$ c(t) = \frac{G^{'}(t)}{G(t)} $, 则可知
在(3.19)和(3.20)式中令$ t = 0 $得
这里$ c_9,c_{10} $是常数, 对(3.21)式做类似于(3.9)和(3.10)式的讨论可知, 在$ \lambda_{1}(1-\lambda_{1}^{2})(1+\lambda_{2}^{4})\neq\lambda_{2}(1-\lambda_{2}^{2})(1+\lambda_{1}^{4}) $的条件下, $ \lambda_{1},\lambda_{2} $是常数, 证毕.