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若黎曼流形(Mn,g)上存在光滑向量场X满足方程
则称Mn为Ricci孤立子,记为(Mn, g,X),其中Ric为其Ricci张量,
$\mathscr{L}$ Xg表示度量g沿X方向的Lie导数,X为孤子场,λ∈ℝ为孤立子常数. 当λ>0(λ=0,或λ < 0)时,称Ricci孤立子为收缩的(稳定的,或扩张的). Ricci孤立子为Ricci流的自相似解,也是Einstein度量的自然推广(参见文献[1-2]).当使用新的光滑函数λ来替代原来的孤立子常数λ时,称Mn为近Ricci孤立子(参见文献[3]). 同样地,通过改变孤立子方程中的常数项,可得到如下关于h-近Ricci孤立子的推广概念:
若黎曼流形(Mn,g)上存在光滑向量场X以及光滑函数λ,h:M→ℝ,使得
则称Mn为h-近Ricci孤立子(参见文献[4]),记为(Mn,g,X,h,λ). 特别地,若λ为常数,则称Mn为h-Ricci孤立子. 若向量场X为Mn上某个光滑函数f:M→ℝ的梯度,则称Mn为具有势函数f的梯度h-近Ricci孤立子,记为(Mn,g,▽f,h,λ),此时
$\mathscr{L}$ Xg=2▽2f,从而(1)式可重新写为这里的▽2f为f的Hessian算子.当X为齐性共形向量场时,即对某个常数c,有
$\mathscr{L} $ Xg=cg时,称Mn为平凡的孤立子,否则为非平凡的.从以上的定义不难看出,1-Ricci孤立子即为Ricci孤立子,1-近Ricci孤立子即为近Ricci孤立子. 目前对于孤立子的研究主要致力于其刚性问题,以及平凡性讨论,且这方面已经取得了比较丰富的研究成果. 文献[5]证明了数量曲率S(S≥0且S∈L1)的完备扩张Ricci孤立子等距于标准球面. 文献[6]证明了数量曲率可达下界的稳定Ricci孤立子为Ricci平坦的. 文献[6]证明了满足适当积分条件的紧致梯度近Ricci孤立子等距于标准球面
$\mathscr{J}$ n. 文献[4]证明了具有常数量曲率的h-近Ricci孤立子等距于标准球面$\mathscr{J}$ n. 文献[7]证明了具有非平凡共形向量场的紧致h-近Ricci孤立子等距于欧氏球面$\mathscr{J}$ n. 文献[8]证明了紧致扩张(稳定)的Ricci孤立子为平凡的. 文献[9]证明了具有消失共形Weyl曲率张量的紧致Ricci孤立子为Einstein流形. 文献[10]通过推广文献[6]中推论2的Ricci孤立子的结构方程,得出有关近Ricci孤立子的结构方程,并由此结构方程得出满足适当积分条件的紧致近Ricci孤立子为平凡的. 文献[11]证明了Para-Sasakian流形上具有非零孤子场的梯度h-近Ricci孤立子为Einstein流形.
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本文采用文献[10]中关于紧致近Ricci孤立子的平凡性结果的研究思路,在适当的积分条件下,证明了紧致h-近Ricci孤立子的平凡性结果,得到了如下主要结果:
定理1 设(Mn,g,X,h,λ)为紧致的h-近Ricci孤立子(n≥3),且光滑函数h定号(即在M上,或者h>0,或者h < 0,下同). 若
则孤立子场X为Killing向量场,进而Mn为平凡孤立子,即为Einstein流形.
定理2 设(Mn,g,▽f,h,λ)为紧致梯度h-近Ricci孤立子(n≥3),且光滑函数h定号. 若
则Mn为平凡孤立子,即为Einstein流形.
注1 当h=1时,定理1的积分条件退化为∫M[Ric(X,X)+(n-2)〈X,▽λ〉]dM≤0,即定理1包含文献[10]的定理3作为其特殊情形.
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设Mn为一个紧致定向带边的黎曼流形,∂M为Mn的边界,v为∂M上指向Mn内部的单位法向量. 则对于Mn上的任意光滑向量场X,下述积分公式成立:
其中divX为X的散度,∂M具有从Mn诱导的定向.
对于Mn上的任意光滑函数f,其梯度向量场的散度即为Δf. 因此据散度定理可知,对紧致无边的定向黎曼流形,有积分公式∫MΔfdM=0成立.
引理1[6] 对黎曼流形(Mn,g)上的任意光滑切向量场X,有
当X是梯度场时,不妨设X=▽f,f∈C∞(M). Z为任意光滑向量场时,有
引理2 梯度h-近Ricci孤立子(Mn,g,▽f,h,λ)满足
其中R是Mn的数量曲率.
证 首先对(2)式求迹,可得
对(3)式求协变微分,有
另外,对(2)式求散度,得到
另有缩并的第二Bianchi恒等式▽R=2div Ric,于是结合(5)式可得
再代入Bochner公式div(▽▽f)=Ric(▽f,·)+▽Δf,便有
代入(4)式,得到
即
引理2得证.
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定理1的证明 为证紧致h-近Ricci孤立子为平凡的,只需证对Mn上的任意光滑向量场X,有
$\mathscr{L}$ Xg=0,即证对Mn上的任意光滑切向量场Y,Z,有由于
则只需证得▽X=0即可.
首先,对(1)式求迹,有
对(6)式沿X的方向求协变微分,可得
又由引理1知
于是将(7)式代入(8)式中,可得
对(1)式求散度,有
从而将(10)式代入(9)式,可得
结合缩并的第二Bianchi恒等式▽R=2div Ric及(11)式,即可得到
又由(1)式知
将(13)式代入(12)式,可得
由于Mn紧致,因此对上式两端在Mn上积分并应用散度定理,得
结合定理1的积分条件,得到
即▽X=0. 进而,对Mn上的任意光滑切向量场Y,Z,有
即孤立子场X为Killing场. 因此,孤立子方程(1)即为
其中λ为Mn上的光滑函数,由Schur引理知λ为常数,从而Mn为Einstein流形. 定理1得证.
定理2的证明 不妨设孤立子场X=▽f,其中f∈C∞(M). 于是,对Mn上的任意光滑切向量场Y,Z,有
由此,为证紧致梯度h-近Ricci孤立子为平凡的,只需证对Mn上的任意光滑切向量场Y,Z,有▽2f(Y,Z)=0即可.
事实上,由(12)式可得
结合引理2式及(14)式,有
由于Mn紧致,因此对上式两端在Mn上积分,并应用散度定理,得到
结合定理2的积分条件,得到
即▽2f=0,从而对Mn上的任意光滑切向量场Y,Z,有
于是,梯度h-近Ricci孤立子方程即为
其中λ为Mn上的光滑函数,由Schur引理知λ为常数,从而Mn为Einstein流形. 定理2得证.