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第50期出刊日:2022.01.10

均曲率流的穩定性

文 / 數學系蔡忠潤副教授

在微分幾何的研究中,極小子流形是一個主要的課題。一維的極小子流形就是測地線,亦即最短路徑。而三維空間中、定邊界的極小子流形,就是肥皂泡面的數學模型。透過研究極小子流形,我們常常可以對黎曼流形的幾何性質和拓樸性質之關聯有更深刻的認識。

注意到極小子流形只是長度/體積泛函的臨界態。就如同在多變數微積分中,臨界點可能是局部極大、局部極小、或都不是(鞍點或其他)。以下圖形可以看出不同曲面上的測地線,長度不一定是最短。

一般而言,極小子流形的存在性本身就是一個困難的課題;一個自然的策略是,從任意一個子流形開始,沿著體積泛函遞減最快的方向對它做形變,順利的話,我們就可以得到一個極小子流形。這個過程就是均曲率流。它本身是一個非線性拋物型方程,此方程式的非線性項導致在過程中可能會發生奇異點。一個好消息是,因為此方程的幾何特性,G. Huisken證明奇異點的發生完全由二階微分量控制;一般的幾何演化方程不具備這種特性。

我和王慕道教授近期的工作,主要是關於均曲率流的穩定性。具體來說,從一個極小子流形附近的子流形開始作均曲率流,一般也很難知道最後是否會回到該極小子流形。這就是所謂的穩定性問題。暫時繼續第二段的類比,在多變數微積分時,我們可以利用二次微分判別法來判斷局部極大極小性質。現在的情況,我們可以去探究體積泛函的二階變分。但變分計算本身是無限維空間作線性化的操作,二階變分的性質一般並不能直接得到真正的幾何性質。另一方面,這裡的二階變分式涉及微分算子,其正定性並不是一個容易檢驗的條件。

我們主要是發現一個稱作「強穩定性」的條件,和二階變分式的正定性不同,此條件只和曲率有關,而不涉及微分算子,因此驗證此條件也容易許多。我們證明具備強穩定性的極小子流形有以下性質:

●局部唯一性。在它附近沒有任何其他維度不小於該維度的極小子流形,這裡的「附近」是真正幾何意義下的鄰域。

●在均曲率流之下有穩定性。在一階微分意義下,其附近的子流形,作均曲率流之後必然會收斂到該子流形。

而主要的關鍵,是我們發現強穩定性會導致該極小子流形附近的幾何有某種凸性。直觀來說,上面圖像中間的曲面是其示意圖。

一般而言,均曲率流在超曲面的狀況有較多的研究;而高餘維時,知道的結果相對少很多。我們的成果是極少數高餘維時對均曲率流穩定性的一般性準則。我們希望利用這裡的幾何凸性手法,更進一步探索其他極小子流形相關的問題。