Aplicaç ões do Princ´ıpio de M áximo do Omori-Yau

3.4 Aplicac¸ ˜ oes Geom ´etricas

3.4.2 Aplicaç ões do Princ´ıpio de M áximo do Omori-Yau

Ao acrescentarmos uma hipótese adequada sobre a curvatura de Ricci da hipersuperf´ıcie M2, podemos retirar sua condição de parabolicidade no Teorema 3.6, e usando o Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau, ver (11) e (12), obteremos um resultado análogo dado no Teorema3.8 abaixo. Precisaremos, porém, acrescentar uma hipótese sobre o operador de forma da hipersuperf´ıcie M1, o que nos permitirá o uso do lema abaixo.

Lema 3.4. Sejam M ⊂ Rn+k uma hipersuperf´ıcie propriamente mergulhada e A seu operador de forma. Denotemos por d_j= d(xj) = dist(xj, M), onde xj∈ Rn+k ´e uma sequˆencia de pontos tal que limj→∞dj= 0, e por Aj o operador de forma de M em yj∈ M, tal que |xj− yj| = dj. Suponha que

lim sup j→∞

kAjk < ∞.

Se II_d_j ´e a segunda forma fundamental da hipersuperf´ıcie paralela M_d_j = d−1(dj) em TxjMdj,

ent˜ao

lim

j→∞kIIdjk < ∞.

Prova. Se Adj é o operador de forma de Mdj então temos a equação de Riccati, ver (17),

onde ∇ e R são a conexão Riemanniana e o tensor curvatura do Rn+k, respectivamente. Para x_j _{∈ R}n+k tal que dj 1 considere a geodésica minimizante normalizada β : [0, dj] → Rn+k com β (0) = yj ∈ M e β (dj) = xj ∈ Mdj. Como β é um segmento de reta ligando yj a xj e

d_j 1, ent˜ao β0(d) = Dd se d ∈ [0, dj]. Seja ent˜ao v ∈ TxjMdj e V seu transporte paralelo ao

longo de β com V (0) = v0∈ TyjM. Se denotarmos por

0_{a derivada ao longo de β teremos} hA_d(V ),V i0= h∇_β0A_d(V ),V i = h∇_DdA_d(V ),V i.

Logo por (3.19)

hA_d(V ),V i0= −hA2_d(V ),V i − hR(V, Dd)Dd,V i. Portanto em d = 0 teremos

hAd(V ),V i0|d=0= −hA2j(v0), v0i − hR(v0, η)η, v0i

Assim a expans˜ao em s´erie de Taylor de IIdj(v) = hAdj(v), vi em torno da segunda forma fun-

damental IIj= IId|d=0de M ´e dada por

hA_d_j(v), vi = hAj(v0), v0i − [hA2j(v0), v0i + hR(v0, η)η, v0i]d + O(d2) (3.20) Sendo a curvatura seccional do Rn+k nula, temos de (3.20) que

|IIdj(v)| ≤ kAjk|v0|

2_{+ kA}

jk2|v0|2d+ O(d2). (3.21) Logo de (3.21)

kII_d_jk ≤ kA_jk + kA_jk2d+ O(d2). (3.22)

Fazendo agora j → ∞ em (3.22) temos o desejado.

Estamos em condic¸˜oes agora de enunciar o seguinte teorema

Teorema 3.8. Sejam M1e M2duas hipersuperf´ıcies disjuntas, sem bordo e propriamente mergulhada em Rn+1. Assuma que M₂seja completa com curvatura de Ricci satisfazendo

Ric_M₂ ≥ −(n − 1)R0, R0> 0. Seja d(x) = dist(x, M1) e Ajcomo no Lema3.4e suponha que

lim sup j→∞

kAjk < ∞ (3.23)

para toda sequˆencia xj∈ M2tal quelimj→∞d(xj) = infM2dist(x, M1). Se

sup M2

|HM2| < inf M1

H_M₁ (3.24)

Prova. Pelo Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau, com a versão para o m´ınimo, existe uma sequência xj∈ M2tal que limj→∞d(xj) = infM2dist(x, M1) e tem-se que

|∇M2_d|(x j) < 1 j e ∆ M2_d(x j) > − 1 j, ∀ j ∈ N. (3.25)

Suponha que M2 esteja no lado convexo de M1 e que dist(M1, M2) = 0. Então M2 tem um contado ideal no infinito com M1. Sendo assim, para j ∈ N suficientemente grande, a equação (3.6) na demonstração do Lema3.2nos dá que

∆M2d(xj) − n|HM2| + n

∑

i λi(dj) − II_d_j((∇M2_d)T_{, (∇}M2_d)T₎ 1 − |∇M2d|2 (xj) ≤ 0 (3.26)

onde λi(dj) são as curvaturas principais da hipersuperf´ıcie paralela d−1(dj) na orientação dada por η e dj= d(xj). Como temos que ∆M2d(xj) > −

j ent˜ao (3.26) nos d´a que 1 j > −n|HM2| + n

∑

i λi(dj) − II_d_j((∇M2_d)T_{, (∇}M2_d)T₎ 1 − |∇M2d|2 . (3.27) E de |∇M2_d|(x j) < 1 j temos que |II_d_j((∇M2_d)T_{, (∇}M2_d)T_)| 1 − |∇M2d|2 ≤ kIIdjk |∇M2_d|2 1 − |∇M2d|2 < kIIdjk 1 j2− 1. Ent˜ao de (3.27) kIIdjk 1 j2− 1+ 1 j > n

∑

i λi(dj) − n|HM2| ≥ n

∑

i λi− n|HM2|. (3.28)

Fazendo agora j → ∞ em (3.28), teremos, pelo Lema3.4, n|HM2| ≥ λ1+ · · · + λn

contradizendo (3.24). Logo M2não pode estar do lado convexo de M1se dist(M1, M2) = 0. Se dist(M1, M2) > 0, existem sequências yn∈ M1e xn∈ M2tal que a sequência yn− xntem uma subsequência que converge para um vetor v ∈ Rn+1 com |v| = dist(M1, M2). Seja então M₂= M2+ v. Dessa forma temos que dist(M1, M2) = 0. Se M1∩ M2= /0, então M2 tem um contao ideal no infinito com M1, o que não pode acontecer pelo que foi visto no parágrafo anterior. Caso M1∩ M2, /0 então p0 ∈ M1∩ M2 seria um ponto de m´ınimo da função d, e assim ∇M2_d(p

0) = 0 e do Lema 3.3 teremos ∆M2d(p0) < 0 contradizendo o fato de p0 ser ponto de m´ınimo. Se M1e M2coincidem numa vizinhança então d é constante, e novamente o Lema3.3 diz que isso não pode acontecer. Logo M2 não pode estar do lado convexo de M1se

dist(M1, M2) > 0.

O Teorema3.8continua válido se M1⊂ Rn+k é uma hipersuperf´ıcie com curvatura média positiva e M2⊂ Rn+k uma n-subvariedade mergulhada.

Observação 3.4. Seja Mn uma hipersuperf´ıcie orientada imersa isometricamente no espaço forma Riemanniano Mn+1c . Se RM é a curvatura escalar normalizada de M e A seu operador de forma, então da equação de Gauss temos a seguinte relação, ver por exemplo (18),

kAk2= n2H_M2 − n(n − 1)(RM− c). Portanto, se R_M ≥ c temos que kAk2 _{≤ n}2_H2

M, donde kAk ≤ nHM, se HM > 0. Logo, se a curvatura m´edia de M for limitada, teremos

sup M

kAk ≤ n sup M

HM < ∞.

Com a Observação3.4, o Teorema3.8nos dá o seguinte Corolário.

Corol´ario 3.3. Sejam M1 e M2 como no Teorema 3.8. Assuma que M2 seja completa com curvatura de Ricci limitada inferiormente. Seja R_M₁ a curvatura escalar (normalizada) de M₁ e suponha que R_M₁ ≥ 0. Suponha tamb´em H_M₁ seja limitada e que

sup M2

|HM2| < inf M1

HM1.

Ent˜ao M2n˜ao pode estar do lado convexo de M1.

Prova. Suponha M2no lado convexo de M1e que dist(M1, M2) = 0. Seja IIdj a segunda forma

fundamental da hipersuperf´ıcie paralela d−1(dj), onde dj= d(xj) = dist(xj, M1) e xj∈ M2 é uma sequência dada por Omori-Yau, isto é, com dj → 0 satisfazendo (3.25). Então de acordo com a Observação 3.4 e pelo Lema3.4, temos limj→∞kIIdjk < ∞. Seguindo agora como na

demonstrac¸˜ao do Teorema3.8temos o desejado.

Note que da Observação3.4, se supormos RM1 limitada no Corolário3.3, podemos retirar a

hip´otese RM1≥ 0 e conseguir o mesmo resultado.

Observe que na demonstração do Teorema 3.8 as hipóteses sobre M2 são essencialmente para que possamos usar o Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau na função d(x) = dist(x, M1). Dessa forma, podemos supor outras hipóteses em M2que nos permita usar este princ´ıpio. Isto pode ser feito utilizando o teorema de Pigola-Rigoli-Setti, ver (19), que estende a classe de variedades Riemanniana à qual vale o Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau. Antes, porém, daremos a seguinte definição dada por Pigola-Rigoli-Setti também em (19).

Definição 3.6. Diremos que a variedade Riemanniana M satisfaz o Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau se, para qualquer função u ∈ C2(M) com sup_Mu= u∗< ∞, existe uma sequência de pontos x_j∈ M, dependendo de M e de u, tal que

lim j→∞u(xj) = u ∗_{, |∇}M_u|(x j) < 1 j, ∆ M_u(x j) < 1 j.

Teorema 3.9 (Pigola-Rigoli-Setti). Seja M uma variedade Riemanniana e assuma que existe uma função não negativa γ satisfazendo:

C1) γ(x) → ∞ quando x → ∞;

C2)∃B > 0 tal que |∇M

γ | ≤ B√γ fora de um compacto; C3)∃C > 0 tal que ∆M

γ ≤ Cpγ G(√γ ) fora de um compacto, onde G: [0, +∞) → [0, +∞) é uma função suave satisfazendo

G(0) > 0, G0(0) ≥ 0, Z +∞ 0 ds p G(s) = +∞, lim supt→+∞ tG(√t) G(t) < +∞. Ent˜ao M satisfaz o Princ´ıpio do M´aximo de Omori-Yau.

Devido ao Teorema de Pigola-Rigoli-Setti, Teorema 3.9 acima, o Corolário 3.3 pode ser estendido a uma classe mais ampla de variedades Riemanniana que satisfazem o Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau. Temos então o

Teorema 3.10. Seja M1 uma hipersuperf´ıcie sem bordo, propriamente mergulhada em Rn+k com curvatura escalar limitada e cuja curvatura m´edia satisfaz b0≤ HM1 ≤ b1, b0, b1 > 0.

Seja também M2 uma subvariedade n-dimensional, sem bordo, propriamente mergulhada em Rn+k, disjunta de M1 e suponha que existe uma função não negativa γ ∈ C2(M2) satisfazendo as condições C1), C2) e C3) do Teorema3.9. Se sup M2 |HM2| < inf M1 Λn então M2não pode estar do lado convexo de M1.

Com demonstração análoga ao do Teorema3.8, que extende no caso do contato ideal no infinito, para subvariedades n-dimensionais M2⊂ Rn+k que satisfazem o princ´ıpio do máximo de Omori-Yau para o Laplacaino, o Teorema 4 em (3). Extende também no caso em que a subvariedade M2 tem codimensão arbitrária o Teorema 3.4 em (2), o Teorema 1 em (9), e o Corolário 1 em (1).

4 UM PRINC´IPIO DO M ´AXIMO PARA

HIPERSUPERF´ICIES

PONDERA-

DAS

DO

_R

n+1_f

E

APLICAC¸ ˜OES

GEOM ´ETRICAS

4.1 Introduc¸ ˜ao

Ao introduzirmos um peso no elemento de volume dvol de uma variedade Riemanniana (M, h, i), passamos a ter uma variedade Riemanniana ponderada (M, h, i, e− fdvol), onde f ∈ C∞_{(M). Surgem então, de forma natural, alguns objetos relacionados a variedade Riemanniana} ponderada (M, h, i, e− fdvol) tais como a f -divergênca, que por sua vez nos dá o f -Laplaciano, a Bakry-Emery curvatura de Ricci, a f -curvatura média, no caso das hipersuperf´ıcies de uma variedade Riemanniana ponderada, entre outros, ver por exemplo (25), (27) e (36).

Em trabalhos como (25), (26), (27), (31), (36) e (37) entre outros, temos várias contribuições que garantem a validade de resultados clássicos da geometria no contexto das variedades Ri- emannianas ponderadas, como por exemplo o Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau para o f-Laplacinano. Seguindo esta linha, iremos demonstrar neste cap´ıtulo a validade, no contexto ponderado, dos resultados obtidos no cap´ıtulo anterior deste trabalho e dar mais algumas contribuições a resultados já conhecidos no contexto não ponderado. No Teorema4.3daremos a versão ponderada do Princ´ıpio do Máximo no Infinito, Teoremas 1 e 3.2 de (1) e (2), respectivamente, que foram generalizados no cap´ıtulo anterior deste trabalho com o teorema abaixo para hipersuperf´ıcies do Rn+1sem restrições sobre a curvatura gaussiana

Teorema. Sejam M1e M2duas hipersuperf´ıcies do Rn+1disjuntas, propriamente mergulhadas no Rn+1e com bordos n˜ao vazios ∂ M1e ∂ M2. Suponha que M2seja completa e que

sup M2

|HM2| ≤ b0≤ inf M1

HM1, b0> 0.

Se M2tem um contato ideal no infinito com M1e é parabólica então min{dist(M1, ∂ M2), dist(M2, ∂ M1)} = 0 Que tem como aplicaçao geométrica o Corolário4.1.

No Teorema4.4 damos a versão ponderada do Princ´ıpio de barreira para subvariedades de codimensão arbitrária e curvatura média limitada, Teorema 4 de (3)

Teorema. Sejam M2⊂ Rn+k uma subvariedade n-dimensional e M1⊂ Rn+k uma C2-hipersuperf´ıcie propriamente mergulhada em Rn+k. Assuma que M2est´a no lado convexo de M1e que

M2 toca em M1no ponto p0∈ M1∩ M2. Suponha que U(p0) ⊂ Rn+k seja uma vizinhanc¸a de p₀_{em R}n+k tal que sup U∩M2 |HM2| ≤ inf U∩M1 Λn.

Então próximo a p0, M2está contida em M1, ou seja, M2∩U ⊂ M1∩U. Que nos dá o Corolário4.2para hipersuperf´ıcies f -m´ınimas.

Como Aplicação do Princ´ıpio do Máximo de Omori-Yau para o f -Laplaciano, estendemos para o contexto ponderado, Teorema4.6 e Corolário 4.3, o Teorema3.10 do cap´ıtulo anterior deste trabalho.

4.2 Preliminares

Seja (Mn, h, i) uma variedade Riamanniana. Chamaremos de n-variedade ponderada a terna M_f = (Mn, h, i, dvol_f)

onde f : M → R é uma função suave escolhida, dvol é a medida de volume Riemanniano em (Mn, h, i) e finalmente dvolf = e− fdvol é a medida de volume ponderado. À variedade ponderada (Mn, h, i, dvol_f) está associada a f -divergência, ver por exemplo (27),

divfX := efdiv(e− fX), X ∈ X(M), o que nos d´a o operador f -Laplaciano dado por

∆M_f u= efdiv(e− f∇Mu) = ∆Mu− h∇Mf, ∇Mui

onde u ∈ C2(M) e ∆M e ∇M s˜ao o Laplaciano e gradiente em (Mn, h, i), respectivamente. A Bakry-Emery curvatura de Ricci da variedade ponderada (Mn, h, i, dvolf) ´e o 2-tensor

Ric_f = Ric + Hess( f ), onde Ric ´e o tensor de Ricci de M. Quando

Ric_f = αh, i,

para alguma constante α ∈ R, ent˜ao a variedade ponderada (Mn, h, i, dvolf) ´e chamada soliton de Ricci.

Observação 4.1. Uma variedade Riemanniana (Mn, h, i) é chamada soliton de Ricci se existe um campo suave de vetores X satisfazendo a equação do soliton

Ric+1

2LXh, i = αh, i, α ∈ R. (4.1)

onde LX é a derivada de Lie na direção de X . No caso especial em que X = ∇Mf , para alguma função f ∈ C∞_{(M), dizemos que (M, h, i, ∇}M_f_{) é um soliton de Ricci gradiente e a equação} (4.1) fica, ver por exemplo (25),

Observe que se (M, h, i, ∇Mf) é um soliton de Ricci gradiente, então a variedade ponderada (M, h, i, dvolf) é um soliton de Ricci. O soliton de Ricci gradiente (M, h, i, ∇Mf) é dito ser contra´ıdo(shrinking), estável (steady) ou expans´ıvel (expanding) de acordo com α > 0, α = 0 ou α < 0, respectivamente.

Se Br(p) e ∂ Br(p) são, respectivamente, a bola geodésicas de raio r > 0 centrada em p e seu bordo em (Mn, h, i), definimos então o volume ponderado em (Mn, h, i, dvolf) por

vol_f(Br(p)) = Z Br(p) e− fdvol e vol_f(∂ Br(p)) = Z ∂ Br(p) e− fdvol_n−1 onde dvoln−1 representa a (n − 1)-medida de Hausdorff.

No documento Um princípio do máximo para hipersuperfícies com um contato ideal no infinito e aplicações geométricas (páginas 34-41)

Aplicaç ões do Princ´ıpio de M áximo do Omori-Yau

3.4 Aplicac¸ ˜ oes Geom ´etricas

3.4.2 Aplicaç ões do Princ´ıpio de M áximo do Omori-Yau

∑

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4 UM PRINC´IPIO DO M ´AXIMO PARA

HIPERSUPERF´ICIES

PONDERA-

DAS

DO

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n+1f

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APLICAC¸ ˜OES

GEOM ´ETRICAS

4.1

Introduc¸ ˜ao

4.2

Preliminares

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