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# Hopf 微分

Definition. R3\mathbb R^3 中的常平均曲率曲面是指平均曲率 HH 为常数的曲面,而 H=0H=0 的曲面称为极小曲面

# 等温参数的复表示

Theorem 1.1.r\pmb r 是曲面 Σ\Sigma 的位置向量,n\pmb n 是单位内法向量场,则

ΔΣr=2Hn\Delta_\Sigma \pmb r = 2H\pmb n

提供两种证明方法,证明一是取正交标架,将 r\pmb r 投影,得到 r,a:=f\langle \pmb r,\pmb a\rangle:=f,对 ff 应用 Laplace-Beltrami 算子,最后注意到 a\pmb a 是任意选定的常向量。证明二是取等温参数,利用等温参数下的第一基本形式系数简化计算。两者在不同的层面进行了计算的简化。详细结果参见 Laplace-Beltrami 算子部分。

Definition.Σ\SigmaR3\mathbb R^3 中曲面,设 u,vu,vΣ\Sigma 上的等温参数,引入复参数 z=u+ivz=u+iv,则 Σ\Sigma 的度量为

ds2=λ2(du2+dv2)=λ2dzdzˉ\mathrm ds^2 =\lambda ^2(\mathrm du^2+\mathrm dv^2)=\lambda^2\mathrm dz\mathrm d\bar z

记号如下:

  • z=u+ivz=u+ivzˉ=uiv\bar z=u-iv
  • z=12(uiv)\partial_z =\frac 12(\partial_u -i\partial_v)zˉ=12(u+iv)\partial_{\bar z} =\frac 12(\partial_u +i\partial_v)
  • dz=du+idv\mathrm dz=\mathrm du+i\mathrm dvdzˉ=duidv\mathrm d\bar z=\mathrm du -i\mathrm dv
  • ΔΣ=1λ2(u2+v2)=4λ2zzˉ=4λ2zˉz=4λ2zˉz=4λ2zzˉ\Delta_\Sigma =\frac 1{\lambda^2}(\partial_u^2+\partial_v^2)=\frac 4{\lambda^2}\partial_z\partial_{\bar z}=\frac 4{\lambda^2}\partial_{\bar z}\partial_z=\frac 4{\lambda^2}\partial_{\bar z z}=\frac 4{\lambda^2}\partial_{z\bar z}

{rz,rzˉ;n}\{\pmb r_{z},\pmb r_{\bar z};\pmb n\} 为曲面 Σ\Sigma复标架

张量结构,复化后内积应满足双复线性,而非共轭线性。

Corollary 1.2. 曲面 Σ\Sigma 的位置向量 r\pmb r 的 Laplace-Beltrami 方程复表示为

ΔΣr=4λ22rzzˉ=2Hnrzzˉ=λ22Hn\Delta_{\Sigma}\pmb r=\frac{4}{\lambda^2}\frac{\partial^2 \pmb r}{\partial z\partial \bar z}=2H\pmb n\implies \pmb r_{z\bar z}=\frac{\lambda^2}{2}H\pmb n

Corollary 1.3. 关于曲面 Σ\Sigma 在复标架下的结论:

  • {rz,rzˉ;n}\{\pmb r_z,\pmb r_{\bar z};\pmb n\} 是正交标架;

# Hopf 定理

Theorem 3.1. Heintze-Karcher 不等式:设 MMRn+1\mathbb R^{n+1} 为紧致嵌入超曲面,其围成区域 Ω\Omega,体积记为 VV。假设 H>0H>0,则

M1HdA(n+1)V\int_M \frac 1H \mathrm dA \geq (n+1)V

等号成立当且仅当 MMnn 维球面。

Theorem 3.1. Alexandrov 定理:设 MMRn+1\mathbb R^{n+1} 中紧致嵌入(即没有自交点)超曲面,如果 MM 的平均曲率 HH 为常数,则 MMnn 维球面。