数学物理学报, 2019, 39(3): 423-430 doi:

论文

关于芬斯勒可反系数的一个注记

尹松庭,1,2

A Note on the Reversibility of Finsler Manifolds

Yin Songting,1,2

收稿日期: 2017-12-4  

基金资助: 国家自然科学基金.  11471246
安徽省自然科学基金.  1608085MA03
铜陵学院人才科研启动基金项目.  2015tlxyrc09
应用数学福建省高校重点实验室(莆田学院)开放课题.  SX201805

Received: 2017-12-4  

Fund supported: the NSFC.  11471246
the AHNSF.  1608085MA03
the TLXYRC.  2015tlxyrc09
the KLAMFPU.  SX201805

作者简介 About authors

尹松庭,yst419@163.com , E-mail:yst419@163.com

摘要

该文在加权Ricci曲率具有下界时给出了关于芬斯勒Laplacian第一特征值的郑绍远型及Mckean型比较定理,并在加权Ricci曲率非负时得到Calabi-Yau型体积增长定理.这改进和推广了已有的方法和结果.特别地,该文利用芬斯勒度量及其反向度量对应的几何对象之间的关系,去掉或减弱了可反系数有限的条件限制.

关键词: 芬斯勒流形 ; 可反系数 ; 第一特征值 ; 比较定理 ; 体积增长

Abstract

For a Finsler manifold with the weighted Ricci curvature bounded from below, we give Cheng type and Mckean type comparison theorems for the first eigenvalue of Finsler Laplacian. When the weighted Ricci curvature is nonnegative, we also obtain Calabi-Yau type volume growth theorem. These generalize and improve some recent literatures. Especially, by using the relationship of the counterparts between a Finsler metric and its reverse metric, we remove some restrictions on the reversibility.

Keywords: Finsler manifold ; Reversibility ; The first eigenvalue ; Comparison theorem ; Volume growth

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本文引用格式

尹松庭. 关于芬斯勒可反系数的一个注记. 数学物理学报[J], 2019, 39(3): 423-430 doi:

Yin Songting. A Note on the Reversibility of Finsler Manifolds. Acta Mathematica Scientia[J], 2019, 39(3): 423-430 doi:

1 引言

$(M, F)$为一芬斯勒流形. Rademacher在文献[5]中定义了可反系数如下

显然, $\lambda_F\in[1, +\infty]$. $\lambda_F=1$时当且仅当$~F$是可反的.当$\lambda_F < \infty$时,流形的向前完备性等价于向后完备性.特别地,紧致的芬斯勒流形必是完备的,此时$\lambda_F$是有限的.对于任意一点$x\in M$,定义$\lambda_F(x)=\sup\limits_{y\in T_xM\backslash0}\frac{F(x, -y)}{F(x, y)}.$$\lambda_F=\sup\limits_{x\in M} \lambda_F(x).$

例1.1  在标准欧氏单位球${\Bbb B}^n(1)$中定义$\alpha=|y|, ~\beta=|x|y^1$,其中$|\cdot|$为标准欧氏范数.则$F(x, y)=\alpha+\beta$为一Randers度量.于是在点$x\in{\Bbb B}^n(1)$处, $\lambda_F(x)=\frac{1+|x|}{1-|x|}.$易见,当$|x|\to1$时, $\lambda_F(x)\to+\infty$.

$\overleftarrow{F}(x, y)=F(x, -y)$$F^*$分别为$F$的反向芬斯勒度量与对偶芬斯勒度量.定义

$\overleftarrow{\lambda}_F=\lambda_F$,且由文献[2]可知$\lambda^*_F=\lambda_F$.

可反系数在整体芬斯勒几何中具有重要的作用.文献[2, 7-9]中在可反系数有限的前提下给出了若干特征值估计,并得到Calabi-Yau型线性体积增长定理.本文考虑的问题是能否给出一些方法将"可反系数有限"这个条件去掉或减弱?

如上所述,可反系数揭示了度量$F$及其反向度量$\overleftarrow{F}$之间的关系.除此之外, $F$$\overleftarrow{F}$对应的几何量与几何对象之间也具有重要的关系.如:

●   $F$的向前(向后)测地球就是$\overleftarrow{F}$的向后(向前)测地球;

●   $F$的向前(向后)距离函数就是$\overleftarrow{F}$的向后(向前)距离函数;

●  加权Ricci曲率满足$\overleftarrow{{\rm{Ric}}}_N(v)={\rm{Ric}}_N(-v), N\in[n, \infty)$;

●  若$f$为芬斯勒Laplacian $\Delta$的特征函数,则$-f$为向后Laplacian $\overleftarrow{\Delta}$的特征函数且$\Delta$$\overleftarrow{\Delta}$具有相同的特征值.

利用这些关系及相应的讨论,往往可以避免引入可反系数.由此,本文给出了更加精细的特征值估计.特别地,我们去掉了"可反系数有限"这个条件.此外,在可反系数至多为多项式增长时,我们得到了Calabi-Yau型体积增长定理.

2 主要定理及其证明

$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维芬斯勒流形. $B^+_{x_0}(r)$$B^-_{x_0}(r)$分别表示以$x_0$为中心$r$为半径的向前(向后)测地球.对于正数$N$,定义$\overline{N}$

$ \begin{eqnarray}\label{1}\overline{N}:=\min\{m\in{\Bbb N}|m\geq N\}.\end{eqnarray} $

定理2.1  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维完备芬斯勒流形.若加权Ricci曲率Ric$_{N}\geq (N-1)k, $$N\in(n, \infty)$,则芬斯勒Laplacian的第一Dirichlet特征值满足

其中$V_{\overline{N}}(k, r)$表示具有旗曲率$k$与零$S$曲率的$\overline{N}$维单连通芬斯勒空间中半径为$r$的向前(或向后)测地球.

注2.1  在文献[6]中,相应的估计较为粗略,而文献[2]仅考虑Ricci曲率具有负下界情形.在文献[9,定理3.1]中,作者仅研究向前测地球情形,将之与黎曼空间形式中测地球加以比较.定理$2.1$改进或推广了以上结果,这为下面改进第一Neumann特征值估计作了准备.

  若$V_{\overline{N}}(k, r)$为黎曼空间形式中测地球,则令$\varphi$为Laplacian在$\overline{V_{\overline{N}}(k, r)}$中第一Dirichlet特征函数.由于单连通空间形式是两点齐性的,故$\varphi$是径向函数,即$\varphi(\bar{x})=\varphi(d_R(\bar{x}_{0}, \bar{x}))$,其中$\bar{x}_{0}$$\overline{V_{\overline{N}}(k, r)}$的中心, $d_R$为黎曼空间形式中距离函数.进而,我们有[1]

$\begin{eqnarray}\label{1.1} \left\{\begin{array}{l} \varphi^{\prime\prime}(t)+(\overline{N}-1){\rm{ct}}_{k}(t)\varphi^{\prime}(t) + \lambda_{1}(V_{\overline{N}}(k, r))\varphi(t)=0, \\\varphi(r)=0, \qquad\varphi^{\prime}(t)>0, \quad t\in(0, r). \end{array}\right. \end{eqnarray}$

此处

我们断言:若$V^+_{\overline{N}}(k, r)$为如上所述的芬斯勒空间形式中向前测地球, $\varphi(d_F)$为芬斯勒Laplacian第一特征函数,其中$d_F$为芬斯勒流形上距离函数,则方程(2.2)仍然成立.事实上,由Hessian比较定理[7],可得$\Delta d_F=(\overline{N}-1){\rm{ct}}_{_{k}}(d_F)$.从而

下面我们证明$\lambda_{1}(V^+_{\overline{N}}(k, r))=\lambda_{1}(V^-_{\overline{N}}(k, r))$.注意到若$\varphi(d_F)$$\Delta$的一个特征函数且特征值为$\lambda$,则$\varphi(d_{ \overleftarrow{F}})$必为$\overleftarrow{\Delta}$的一个特征函数,且特征值为$\lambda$.反之亦然.此处$\overleftarrow{\Delta}$$d_{ \overleftarrow{F}}$为关于反向芬斯勒度量$\overleftarrow{F}$的Laplacian及距离函数.事实上,若$\lambda_{1}(V^+_{\overline{N}}(k, r)) < \lambda_{1}(V^-_{\overline{N}}(k, r))$,则对于$\lambda_{1}(V^+_{\overline{N}}(k, r))$,可以通过解方程(2.2)找到特征函数$\varphi(d_F)$,进一步得到$\varphi(d_{ \overleftarrow{F}})$.因此, $\varphi(d_{ \overleftarrow{F}})$$V^-_{\overline{N}}(k, r)$中的第一特征函数,且第一特征值等于$\lambda_{1}(V^+_{\overline{N}}(k, r))$.这与前面的假定矛盾.类似地,相反的不等式也不成立.故两者必相等.

$\rho(x)=d_{F}(x_0, x)$$(M, F)$的向前距离函数, $u(x)=\varphi(\rho(x))$.因为d$u=\varphi^{\prime}{\rm d}\rho$$\varphi^{\prime}>0$,所以, $\nabla u=\varphi^{\prime}\nabla\rho$.利用Laplacian比较定理[4],我们有

注意到$u|_{B^+_{x_0}(r)} < 0$$u|_{\partial B^+_{x_0}(r)}=0$.从而有

$ \begin{eqnarray}\label{2} \int_{B^+_{x_0}(r)}(F^{\ast}({\rm d}u))^{2}{\rm d}\mu&=&\int_{B^+_{x_0}(r)}du(\nabla u){\rm d}\mu =-\int_{B^+_{x_0}(r)}u\Delta u{\rm d}\mu \\ &\leq &\lambda_{1}(V_{\overline{N}}(k, r))\int_{B^+_{x_0}(r)}u^{2}{\rm d}\mu. \end{eqnarray} $

于是, $\lambda_{1}(B^+_{x_0}(r))\leq\frac{\int_{B^+_{x_0}(r)}(F^{\ast}({\rm d}u))^{2}{\rm d}\mu}{\int_{B^+_{x_0}(r)}u^{2}{\rm d}\mu} \leq \lambda_{1}(V_{\overline{N}}(k, r))$.

由于

所以, $\overleftarrow{\Delta}$的第一特征值与$\Delta$的第一特征值相等.故我们可以将$\lambda_{1}(B^-_{x_0}(r))$视为$\overleftarrow{\Delta}$的第一特征值.设$\overleftarrow{\rho}(x)=d_{F}(x, x_0)=d_{ \overleftarrow{F}}(x_0, x)$$(M, F)$的反向距离函数且$v(x)=\varphi(\overleftarrow{\rho}(x))$.注意到$\overleftarrow{{\rm{Ric}}}_{N}\geq (N-1)k, N\in(n, \infty)$.于是利用关于$(M, \overleftarrow{F}, {\rm d}\mu)$的反向Laplacian比较定理以及相似的讨论,即可完成定理2.1证明.

推论2.1  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维完备芬斯勒流形.若Ricci曲率Ric $\geq (n-1)k$$S$曲率消失,则芬斯勒Laplacian第一Dirichlet特征值满足

其中$V_{n}(k, r)$表示具有旗曲率$k$与零$S$曲率的$n$维单连通芬斯勒空间中半径为$r$的向前(或向后)测地球.

定理2.2  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维紧致芬斯勒流形.若加权Ricci曲率Ric$_{N}\geq (N-1)k, $$N\in(n, \infty)$,则芬斯勒Laplacian第一Neumann特征值满足

其中$d$表示$M$的直径, $\lambda_{1}$表示第一Dirichlet特征值, $V_{\overline{N}}(k, d/2)$如上所述.

注2.2  与文献[9]中对应的结果相比,定理$2.2$在比较式中去掉了关于可反系数的限制.

  设$x_{1}, x_{2}\in M$满足$d_{F}(x_{1}, x_{2})=d$.选取$r=\frac{d}{2}$,则$B^+_{x_{1}}(r)\cap B^-_{x_{2}}(r)=\emptyset$.事实上,若存在点$x\in B^+_{x_{1}}(r)\cap B^-_{x_{2}}(r)$,则导致以下矛盾:

由(2.3)式及相似的讨论可得

$u_{1}$$u_{2}$延拓至流形$M$上,使得在$B^+_{x_{1}}(\frac{d}{2})$$B^-_{x_{2}}(\frac{d}{2})$外部分别为零.于是存在两个常数$a_{1}>0$$a_{2} < 0$使得

因此

定理2.2证毕.

引理2.1  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维芬斯勒流形, $\Omega\subset M$$M$上具有非空边界及紧致闭包的区域.假定$f$为芬斯勒Laplacian在$\Omega$中的第一Dirichlet特征函数, $X$$\Omega$上一个向量场,且满足$\inf\limits_{\Omega}{\rm div}(X)>0$.则我们有下面的不等式:

(1)若存在一点$x_0\in\Omega$使得$f(x_0) < 0$,则

(2)若存在一点$x_0\in\Omega$使得$f(x_0)>0$,则

  对任意的$\xi\in T^*M, X\in TM$,由基本不等式可得$\xi(X)\leq F^*(\xi)F(X)$.从而,我们有$-\xi(X)\leq F^*(-\xi)F(X)$$\xi(-X)\leq F^*(\xi)F(-X)$.于是

如所知,若$f$为芬斯勒Laplacian在$\Omega$上的一个第一Dirichlet特征函数,令$f=f^++f^-$,则它的正部$f^+$与负部$f^-$均为第一Dirichlet特征函数.因此,我们不妨假定$f\leq0$$f\geq0$.

情形Ⅰ  $f\leq0$.

因为$f\in C^{1, \alpha}_{0}(\Omega)$,所以向量场$f^{2}X$$\Omega$内具有紧致支撑集.直接计算可得

$\begin{eqnarray}\label{4.1}{\rm{div}}(f^{2}X)&=& X(f^2)+f^{2}{\rm{div}}(X)\\&\geq&- F^*(-df^2)F(X)+\inf\limits_{\Omega}{\rm{div}}(X)\cdot f^{2}\\&=&2f F^*(df)F(X)+\inf\limits_{\Omega}{\rm{div}}(X)\cdot f^{2}.\end{eqnarray}$

下面通过与文献[7]相似的讨论,我们有

注意到这里的$f$为第一特征函数且满足$\frac{\int_{\Omega}F^*(df)^{2}{\rm d}\mu}{\int_{\Omega}f^{2}{\rm d}\mu}=\lambda_{1}(\Omega)$.从而结论(Ⅰ)成立.

情形Ⅱ   $f\geq0$.

对于这种情形, (2.4)式变成

然后利用类似的方法可得

证毕.

对于情形Ⅰ,在引理2.1中令$X=\nabla\rho$,再利用文献[7]中定理5.1-5.2;对于情形Ⅱ,我们考虑反向度量$\overleftarrow{F}$并在文献[7]的定理5.1-5.2中采用反向Laplacian比较定理,此时,在引理2.1中令$X=\overleftarrow{\nabla}\overleftarrow{\rho}$.于是我们可以得到下面的McKean型不等式.与文献[7-8]中对应结果相比,我们在此去掉了关于可反系数的限制.

定理2.3  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维完备非紧单连通的芬斯勒流形.若旗曲率$K\leq-a^{2}$$(a>0)$,且$\sup\limits_M\|S\| < (n-1)a$,则有

定理2.4  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维完备非紧单连通的芬斯勒流形.若旗曲率非正, Ricci曲率${\rm Ric}\leq-a^{2}(a>0)$,且$\sup\limits_M\|S\| < a$,则有

$(M, g)$$n$维完备黎曼流形.若其截面曲率$K_M\geq-a^2$,则由文献[1]或[3]可知, Laplacian第一特征值满足

$\begin{eqnarray}\label{2.5} \lambda_{1}(M)\leq\frac{(n-1)^2 a^2}{4}. \end{eqnarray}$

根据推论2.1,若芬斯勒流形的旗曲率$K\geq-a^2$$S=0$,则(2.5)式在芬斯勒情形下仍然成立.因此,结合定理2.3易得:

推论2.2  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维完备非紧单连通的芬斯勒流形.若$S=0$且旗曲率$K=-a^{2}(a>0), $则有

注2.3  对于$F$是可反的情形,该结果已被文献[2]及[9]先后得到.推论$2.2$表明,对于不可反情形,结论仍然正确.在这个意义下,我们推广了以前的结果.

在文献[9]中,作者将Calabi-Yau线性体积增长定理推广到芬斯勒流形上,但是可反系数必须是有界的.事实上,若将该条件减弱为"可反系数满足一定的增长条件",则体积就会以相应的"速度"增长.具体地说,我们得到如下的Calabi-Yau型体积增长定理.

定理2.5  设$(M, F, {\rm d}\mu)$$n$维完备非紧的芬斯勒流形且加权Ricci曲率${\rm Ric}_{N}\geq0, $$ N\in(n, \infty)$.$\rho^+(x)$$\rho^-(x)$为从固定点$p\in M$出发的向前(向后)距离函数,且令$\rho^{\pm}(x)=\min\{\rho^+(x), \rho^-(x)\}$.若可反系数满足$\lambda_F(x)\leq C_0\rho^{\pm}(x)^k, $则有

其中$k\geq0, C_0>0$为常数, $B^+_{p}(R)$$B^-_{p}(R)$分别表示以$p$为中心以$R$为半径的向前(向后)测地球, $B^{\pm}_{p}(1)=B^{+}_{p}(1)\cap B^{-}_{p}(1)$, $C$是依赖于$N, C_0, {\rm vol}_{F}^{{\rm d}\mu}(B^{\pm}_{p}(1))$的常数.

注2.4  定理$2.5$表明:若可反系数至多为距离函数的$k$次幂增长,则体积以$\frac{1}{k+1}$次幂增长.当$k=0$时,此即为文献[9]中结果.进一步,可以证明:若可反系数至多为指数函数的速度增长,则体积以至少为对数函数的速度增长.

  设$x_{0}\in\partial B_{p}^{-}(R)$为一给定点, $\rho(x)=d(x_{0}, x)$为从$x_{0}$出发的向前距离函数.则$F(\nabla\rho)=1$.由文献[4]中Laplacian比较定理可知

从而

因此,对于任意非负函数$\varphi \in C_{0}^{\infty}(M)$,我们有

$\begin{eqnarray}\label{3.3}\int_{M}\varphi\Delta^{\nabla\rho}\rho^{2}{\rm d}\mu\leq2N\int_{M}\varphi {\rm d}\mu.\end{eqnarray}$

对于任意$R>1$,令

$\varphi(x)=\psi(\rho(x))$,则$\varphi(x)$为Lipschitz连续函数,且${\rm{supp}}\varphi\subset B^+_{x_{0}}(R+1)$.由于Stokes公式对于Lipschitz连续函数仍然成立,我们有

结合(2.6)式得到

$\begin{eqnarray}\label{3.5} (R-1){\rm{vol}}_{F}^{{\rm d}\mu}(B^+_{x_{0}}(R+1)\backslash B^+_{x_{0}}(R-1))&\leq&2N\int_{M}\varphi {\rm d}\mu \\&=&2N\int_{B^+_{x_{0}}(R+1)}\varphi {\rm d}\mu\\ &\leq& 2N\int_{B^+_{x_{0}}(R+1)} {\rm d}\mu \\&=&2N{\rm{vol}}_{F}^{{\rm d}\mu}(B^+_{x_{0}}(R+1)). \end{eqnarray} $

注意到$R>1$.故由三角不等式可得

$ \begin{eqnarray}\label{3.6} B^{\pm}_{p}(1)\subset B^+_{x_{0}}(R+1)\backslash B^+_{x_{0}}(R-1). \end{eqnarray} $

因此,由(2.7)和(2.8)式得到

$\begin{eqnarray}\label{3.7} 2N{\rm{vol}}_{F}^{{\rm d}\mu}(B^+_{x_{0}}(R+1))&\geq &(R-1) {\rm{vol}}_{F}^{{\rm d}\mu}(B^+_{x_{0}}(R+1)\backslash B^+_{x_{0}}(R-1))\\ &\geq& (R-1) {\rm{vol}}_{F}^{{\rm d}\mu}B^{\pm}_{p}(1). \end{eqnarray}$

另一方面,若存在点$y\in B^{+}_{x_{0}}(R+1)$,则有$d(x_{0}, y) < R+1$.注意到$x_{0}\in\partial B^{-}_p(R)$.于是

根据(2.9)式,我们有

$C_0R^{k+1}+R+1$替换为$R$,可得

对于结论(2),我们考虑反向度量$\overleftarrow{F}(x, y)$.则对于任意的光滑函数$u$及切向量$v$, $F$$\overleftarrow{F}$对应的量具有以下关系:

在定理的条件下, $\overleftarrow{{\rm{Ric}}}_N\geq0$.由于$F$的向后测地球即为$\overleftarrow{F}$的向前测地球,故利用与前面类似的讨论可得

定理2.5证毕.

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