
关于
定理A 常Gauss曲率Bonnet曲面Gauss曲率为0。
为方便讨论,本文涉及的Bonnet曲面均无脐点,且dH≠0。
1 预备知识设M为
{dx=ω1e1+ω2e2, de1=ω12e2+ω13e3, de2=−ω12e1+ω23e3, de3=−ω13e1−ω23e2. |
其中ω1, ω2为e1, e2的对偶1-形式,则ω13=aω1,ω23=cω2,ω12为曲面的联络形式,设ω12=hω1+kω2。上述1- 形式满足结构方程
{dω1=ω12∧ω2, dω2=ω1∧ω12, dω12=−Kω1∧ω2 (Gauss 方程), dω13=ω12∧ω23 (Codazzi 方程) ,dω23=ω13∧ω12 (Codazzi 方程). |
由Codazzi方程,
[da−(a−c)hω2]∧ω1=0,[ da−(a−c)kω1]∧ω2=0. |
不妨设
2 dH=d(a+c)=(a−c)(uω1+vω2), | (1) |
则
daa−c=(u−k)ω1+hω2,dca−c=kω1+(v−h)ω2. |
因此,
dlog(a−c)=(u−2k)ω1−(v−2h)ω2, | (2) |
并且
定义1-形式
θ1=uω1+vω2,θ2=−vω1+uω2,α1=uω1−vω2,α2=vω1+uω2. |
定义*算子
∗ω1=ω2,∗ω2=−ω1, |
则
∗θ1=θ2,∗θ2=−θ1,∗α1=α2,∗α2=−α1. |
于是式(1)和式(2)可以改写为
2 dH=(a−c)θ1, dlog(a−c)=α1+2∗ω12. |
由于dH≠0,定义度量
ds2−1=θ21+θ22=α21+α22=(u2+v2)(ω21+ω22)=|∇H|2H2−K ds2, |
其中ds2为M上的诱导度量。
Chern在文献[2]中证明曲面M为Bonnet曲面的充要条件为
{dα1=0, dα2=α1∧α2. |
此时易知ds-12的Gauss曲率为-1,同时作者还指出Bonnet曲面必为W-曲面,即dH∧dK=0。Chen和Peng在文献[5]中进一步证明M为W-曲面等价于dθ1=0,并得到如下定理:
定理1.1[5] 若M为Bonnet曲面,则
1) 度量
ds20=(H2−K)2|∇H|2 ds2 |
的Gauss曲率为0,
2)
Chen和Peng在文献[5]中指出可选取M上的等温坐标(u, v),有
ds20=du2+dv2, |
此时H仅为u的函数,即H=H(u)。这样就得到如下各式:
{ds2−1=F2 ds20=F2( du2+dv2),ds2=|∇H|2(H2−K)2 ds20=|∇H|2(H2−K)2( du2+dv2). | (3) |
其中
|∇0H|2=|∇H|2|∇H|2(H2−K)2, | (4) |
Δ0lnF=F2. | (5) |
式(5)可改写为
(lnF)′′=F2. | (6) |
由定理1.1及M为W-曲面, 可知
H′2=|∇H|2|∇H|2(H2−K)2=F2(H2−K). |
这样就得到关于Bonnet曲面Gauss曲率满足的微分方程
K=H2−H′2F2. |
在等温坐标下,曲面的第一基本型为
ds2=e2φ(du2+dv2), | (7) |
其中
[˜ω1˜ω2]=[cosθ−sinθsinθcosθ][ω1ω2],[˜e1˜e2]=[cosθ−sinθsinθcosθ][e1e2],{˜ω13=−(de3,˜e1)=h11˜ω1+h12˜ω2,˜ω23=−(de3,˜e2)=h21˜ω1+h22˜ω2. |
经过简单计算可得
{h11=H+Gcos2θ,h12=h21=Gsin2θ,h22=H−Gcos2θ. |
其中
{h112=h121,h212=h221. | (8) |
其中协变导数hijk (i, j, k=1, 2)由
∑khijk˜ωk=dhij+∑khki˜ωkj+∑khkj˜ωki |
确定。直接计算h112, h121, h212, h221并代入式(8),得到
{2θ′u=∓Fsin2θ,2θ′v=±Fsin2θ−(lnF)′ | (9) |
事实上可简单验证式(9)的可积性条件即为式(6)。解式(6),得到
F=±{1u+t,λsinλ(u+t)′λsinhλ(u+t). | (10) |
这里t, λ(λ≠0)为任意常数。将式(10)代入式(9)中,有
tanθ=±{(v+su+t)±1, 当 F=±1u+t,tanhλv+s2(cotλ(u+t)2)±1 或 cothλv+s2(cotλ(u+t)2)±1, 当 F=±λsinλ(u+t),±tanλv+s2(cothλ(u+t)2)±1, 当 F=±λsinhλ(u+t). |
其中s为任意常数。再由式(7),K=-φ″e-2φ得到
(lnH′F2)′′H′F2=2(H2−H2F2). | (11) |
这样就得到Bonnet曲面的平均曲率H所满足的微分方程。反之,由文献[7]也可以利用式(11)和式(9)的解构造满足条件的Bonnet曲面。这样就得到如下定理:
定理1.2[5-7] 若M为Bonnet曲面, 则存在等温坐标(u, v),使得M的平均曲率H仅为u的函数,且M的Gauss曲率K和平均曲率H满足方程组
{K=H2−H′2F2,(lnH′F2))′′H′F2=2(H2−H′2F2). | (12) |
其中
F=±{1u+t,λsinλ(u+t),λsinhλ(u+t). |
λ, t为常数,且λ≠0。
2 定理A的证明本节将在Bonnet曲面M的Gauss曲率K为常值时,对定理1.2中的方程组进行求解,得到若K为常值且K不为0,式(12)无解。
首先设K>0,由
K=H2−H′2F2, |
(√KH)2+(H′FH)2=1. |
令
{sinβ=√KH,cosβ=H′FH. | (13) |
其中β为关于u的函数。由式(13),
H′=(√Ksinβ)′=−√Kcosβsin2ββ′=F√Kcotβ, | (14) |
于是
β′sinβ=−F. | (15) |
对式(15)左边积分有
(lntan2β2)′=−2F. | (16) |
设K < 0,由
K=H2−H′2F2, |
有
此时令
{sin˜β=√−KFH′,cos˜β=HFH′. | (17) |
其中
H′=HFcos˜β=F√−Ksin˜β, | (18) |
由式(18),
进一步,
H′=−√−K˜β′sin2˜β, | (19) |
由式(18)和式(19),
˜β′sin˜β=−F, |
进一步,
(lntan2˜β2)′=−2F. | (20) |
现在将利用式(14)和式(16)以及式(18)和式(20)讨论Gauss曲率K的表达式。
1) 当
tanβ2=mu+t 或 tan˜β2=˜mu+t, |
这里
{H′=√±K[(u+t)2∓m2]2m(u+t)2,H′′=±√±Km(u+t)3,H′′H′=2m2(u+t)[±(u+t)2−m2],H′F2=√±K[(u+t)2∓m2]2m,F′F=−1u+t. | (21) |
注意到式(12)中二式又可以写成
(H′′H′−2F′F)′H′F2=2K. | (22) |
将式(21)中的结果代入到式(22)中得到
√±K[m2±(u+t)2]m[m2∓(u+t)2]=2K. |
这样就得到了Gauss曲率K的表达式,这与假设K为常值矛盾。
2) 当
tanβ2=mcotγ2 或 tan˜β2=˜mcotγ2, |
其中
{H′=λ√±K(1∓m2cot2γ2)4mcos2γ2,H′′=λ2√±K4m(sinγ2cos3γ2±m2cosγ2sin3γ2),H′′H′=λ(tan4γ2±m2)tan3γ2∓m2tanγ2,H′F2=√±Kλm(sin2γ2∓m2cos2γ2),F′F=−λcotγ. | (23) |
将式(23)中的结果代入到式(22)中有
λ√±K(1±m2)(tan2γ2±m2)−2m(tan2γ2∓m2)=2K. |
这与假设K为常值矛盾。
3) 当
tanβ2=mcothγ2 或 tan˜β2=˜mcothγ2, |
其中
{H′=λ√±K[(1∓m2)coshγ−(1±m2)]2msinh2γ,H′′=λ2√±K[(1∓m2)(1+cosh2γ)−2(1±m2)coshγ]−2msinh3γ,H′H′=λ[(1∓m2)(1+cosh2γ)−2(1±m2)coshγ]−sinhγ[(1∓m2)coshγ−(1±m2)],H′F2=√±K[(1∓m2)coshγ−(1±m2)]2λm,F′F=−λcothγ. | (24) |
将式(24)中的结果代入到式(22)中得
λ√±K(1∓m2)[(1∓m2)−(1±m2)coshγ]2m[(1∓m2)coshγ−(1±m2)]=2K. |
这与K为常值矛盾。
4) 当
tanβ2=m(u+t) 或 tan˜β2=˜m(u+t), |
其中
{H′=√±K[±m2(u+t)2−1]2m(u+t)2,H′′=√±Km(u+t)3,H′′H′=2(u+t)[±m2(u+t)2−1],H′F2=√±K[±m2(u+t)2−1]2m,F′F=−1u+t. | (25) |
将式(25)中的结果代入到式(22)中有
±√±Km[∓m2(u+t)2−1]±m2(u+t)2−1=2K. |
这与K为常数矛盾。
5) 当
tanβ2=mtanγ2 或 tan˜β2=˜mtanγ2, |
{H′=−λ√±K(1∓m2tan2γ2)4msin2γ2,H′′=λ2√±K4m(cosγ2sin3γ2±m2sinγ2cos3γ2),H′′H′=−λ(1±m2tan4γ2)tanγ2∓m2tan3γ2,H′F2=−√±Kλm(cos2γ2∓m2sin2γ2),F′F=−λcotγ. | (26) |
将式(26)中的结果代入到式(22)中有
λ√±K(1±m2)(1±m2tan2γ2)2m(1∓m2tan2γ2)=2K. |
这与K为常值矛盾。
6) 当
tanβ2=mtanhγ2 或 tan˜β2=˜mtanhγ2, |
{H′=−λ√±K[(1∓m2)coshγ+(1±m2)]2msinh2γ,H′′=λ2√±K[(1∓m2)(1+cosh2γ)+2(1±m2)coshγ]2msinh3γ,H′′H′=λ[(1∓m2)(1+cosh2γ)+2(1±m2)coshγ]−sinhγ[(1∓m2)coshγ+(1±m2)],H′F2=√±K[(1∓m2)coshγ+(1±m2)]−2mλ,F′F=−λcothγ. | (27) |
将式(27)中的结果代入到式(22)中有
λ√±K(1∓m2)[(1∓m2)+(1±m2)coshγ]−2m[(1∓m2)coshγ+(1±m2)]=2K. |
与K为常值矛盾。
综上可知,若Bonnet曲面Gauss曲率K为常值,则只能为0。这样就完成了定理A的证明。
现在考虑零Gauss曲率Bonnet曲面的平均曲率,此时式(12) 为
H2−H′2F2=0, | (28) |
(lnH′F2)′′H′F2=0. | (29) |
由式(28)有
(lnH2)′=2F. | (30) |
当
H=m(u+t)±1. |
m≠0为常数。考虑到式(29)成立,则有H=
当
H=mtan±1γ2. |
m≠0为常数,H不能使式(29)式成立。
当
H=mtanh±1γ2. |
m≠0为常数,H不能使式(29)式成立。
综上所述,得到如下结论:
M为Bonnet曲面,则存在等温坐标(u, v)使M的Gauss曲率K和平均曲率H均为u的函数,M上的度量有如下形式:
ds2=(H2−K)2|∇H|2 ds20, ds20=du2+dv2. |
并且K, H满足方程
{K=H2−H′2F2,(lnH′F2)′′H′F2=2(H2−H′2F2). |
其中
F=±{1u+t,λsinλ(u+t),λsinhλ(u+t). |
λ, t为常数,λ≠0。若M的Gauss曲率K为常值,则K=0,且平均曲率
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