m´edia constante ser uma folha
Daqui por diante vamos supor que Mn+1 ´e uma variedade riemanniana a qual admite um campo de vetores parcialmente conforme fechado K com campo de vetores associado W tais que W ´e conforme fechado. Pela segunda parte do Teorema 4.1, M ´e localmente isom´etrica a J × (I ×f Pn−1). Para
cada t ∈ J, seja Mt = {t} × (I ×f Pn−1). Al´em disso, se M ´e qualquer
hipersuperf´ıcie de M , que intersecta transversalmente com Mt, denotamos
Mt = M ∩ Mt. Na seguinte proposi¸c˜ao obtemos uma express˜ao para a
curvatura m´edia de M .
Proposi¸c˜ao 20. Seja Mn+1 uma variedade na qual admite um campo de ve- tores parcialmente conforme fechado K com o campo de vetores associado W tal que W ´e conforme fechado. Seja M uma hipersuperf´ıcie orient´avel de M , em toda parte transversal a K. Usando a nota¸c˜ao anterior nesta proposi¸c˜ao, suponha tamb´em que para cada t ∈ J a subvariedade (n − 1)−dimensional Mt est´a contida em uma folha de K⊥∩ W⊥. Ent˜ao a curvatura m´edia HM
de M ´e dada por nHM =−(n − 1)hN, bKi φ |K| − e EnhN, W i p 1− hN, W i2, (5.1) onde N =hN, bKi bK +hN, W iW e eEn =−hN, W i bK +hN, bKiW .
Demonstra¸c˜ao. Usamos um referencial de tal forma que E1, . . . , En−1 gera
K⊥∩ W⊥, E
n = W e En+1 = bK. Note que o fato de Mt est´a contido em
uma folha de K⊥∩ W⊥ implica que o campo de vetores N ´e de fato unit´ario
e normal em toda a M . Para i = 1, . . . , n− 1 temos ∇EiN = ∇Ei(hN, bKi bK +hN, W iW )
= hN, bKi∇EiK +b hN, W i∇EiW + (EihN, bKi) bK + (EihN, W i)W
= hN, bKi φ
|K|Ei+ (EihN, bKi) bK + (EihN, W i)W,
onde estamos usando o fato que W ´e paralelo (Veja Observa¸c˜ao 4). Tomando o produto escalar com Ei obtemos
h∇EiN, Eii = hN, bKi
φ
|K|. (5.2)
Agora n´os usaremos o campo de vetores eEn = −hN, W i bK +hN, bKi para
obter
∇EenN = ∇Een(hN, bKi bK +hN, W iW )
= hN, bKi∇EenK +b hN, W i∇EenW + ( eEnhN, bKi) bK + ( eEnhN, W i)W
= ( eEnhN, bKi) bK + ( eEnhN, W i)W,
onde
∇EenK =b −hN, W i∇KbK +b hN, bKi∇WK,b
usando o fato que W ´e paralelo, ψ = 0 e ∇KbK = 0; fazendo o produtob
escalar com eEn n´os temos
Condi¸coes para uma hipersuperf´ıcie de curvatura m´edia constante ser uma folha 65
Podemos simplificar os dois ´ultimos termos da seguinte forma. Do fato que hN, Ni = 1 segue-se que
hN, bKi2+hN, W i2 = 1.
Derivando esta express˜ao com respeito a eEn, substituindo o resultado em
(5.3) obtemos ( eEnhN, W i)hN, bKi − ( eEnhN, bKi)hN, W i = e EnhN, W i p 1− hN, W i2.
Usando a express˜ao acima com (5.2), concluimos que a curvatura m´edia de M ´e dada por
nHM =− n X i=1 h∇EiN, Eii = − n−1 X i=1 h∇EiN, Eii − h∇EnN, Eni.
Da´ı obtemos que
nHM =−(n − 1)hN, bKi φ |K| − e EnhN, W i p 1− hN, W i2.
Teorema 5.1. Seja Mn+1 uma variedade a qual admite um campo de ve- tores parcialmente conforme fechado K com o campo de vetores associado conforme fechado W tal M ´e localmente da forma J × I ×f Pn−1 com log f
convexo. Seja M uma hipersuperf´ıcie orient´avel de M , tranversal em toda parte a K, com curvatura m´edia constante em M . Suponha que existe t∈ J tal que Mt´e uma hipersuperf´ıcie compacta de Mt com curvatura m´edia cons-
tante. Suponha adcionalmente a existˆencia de um ponto p∈ Mt tal que
1. O vetor unit´ario N (p) ´e normal a M em p e igual ao vetor unit´ario b
K(p) normal a folha K passando por p,
2. Localmente, M est´a acima da folha deK⊥ passando por p com respeito
q ∈ U tem a forma q = φs(q′), onde q′ ´e mencionado na folha, s≥ 0 e
φs ´e o fluxo de K,
3. A derivada de hN, W i com respeito ao vetor W (p) ´e positiva.
Ent˜ao M coincide localmente com a folha de K⊥passando por p. Em particu-
lar, localmente M ´e (n−1)−umb´ılica. Al´em disso, se a folha de K⊥ passando
por p tem curvatura m´edia constante, esta coincide globalmente com M . Demonstra¸c˜ao. Observe primeiro que a hip´otese de log f convexa ´e equiva- lente a H′ ≥ 0, onde H = f′/f = (log f )′. Pelo fato que M ´e transversal em
todo o K implica que o ˆangulo θ entre o normal de Mt em Mt e K (a qual
´e tangente a Mt) n˜ao muda de sinal. Pelo Teorema 4 em Al´ıas-Dacjzer [2],
Mt ´e uma folha de K⊥ em Mt.
Desde que Mtest´a contido numa folha deW⊥, temos que Mtest´a contido
na folha de K⊥∩ W⊥. Da Proposi¸c˜ao 20, M tem curvatura m´edia constante
dada por nHM =−(n − 1)hN, bKi φ |K| − e EnhN, W i p 1− hN, W i2,
onde N = hN, bKi bK +hN, W iW ´e normal a M e eEn = −hN, W i bK +
hN, bKiW . Temos por hip´otese que bK(p) = N (p), ent˜ao eEn(p) = W (p). A
hip´otese 3 e a continuidade implicam que hN, bKi e eEnhN, W i s˜ao positivas
em uma vizinhan¸ca de p em M . Note tamb´em que podemos supor que φ ≤ 0, ou equivalentemente que HM ≥ 0, uma vez que este sinal depende da escolha
de um campo de vetores parcialmente conforme fechado K ou−K. Levando estes fatos em conta, em cada ponto q nesta vizinhan¸ca, temos que
nHM ≤ −(n − 1)
φ |K|(q).
Pela Observa¸c˜ao 5, o lado direito da inequa¸c˜ao ´e a curvatura m´edia da folha de K⊥ passando por q, isto ´e, a curvatura m´edia de M em q ´e menor
Condi¸coes para uma hipersuperf´ıcie de curvatura m´edia constante ser uma folha 67
Queremos comparar a curvatura m´edia da folha de K⊥ passando por p
com a folha deK⊥ passando por q. Note que a hip´otese 2 implica que a folha
de K⊥ atrav´es de q fica acima da folha passando por p. Usando novamente
a equa¸c˜ao (12) da Observa¸c˜ao 5, a curvatura m´edia das folhas de K⊥ s˜ao
dadas por
nH = −(n − 1)f
′
f =−(n − 1)(log f)
′.
Agora log f convexa implica que nH ´e uma fun¸c˜ao n˜ao-crescente em I, o que implica, por sua vez que a curvatura m´edia da folha passando por q ´e menor do que ou igual `a curvatura m´edia da folha passando por p.
Em uma vizinhan¸ca de p, temos que M est´a acima da folha passando por p com respeito a K e a curvatura m´edia de M ´e menor ou igual a curvatura m´edia desta folha. Pelo princ´ıpio de tangˆencia (veja por exemplo [9]), essas hipersuperf´ıcies coincidem localmente. Em particular, localmente M ´e (n−1)− umb´ılica. Finalmente, se ambos hipersuperf´ıcies tem curvatura m´edia constante, ´e sabido que elas coincidem globalmente.
Corol´ario 3. Seja K um campo de vetores parcialmente conforme fehado definido em um conjunto aberto do Rn+1 com campo de vetores associado W
conforme fechado. Seja Mn ⊂ Rn+1 uma hipersuperf´ıcie orient´avel satisfa-
zendo as hip´oteses da Proposi¸c˜ao 20, bem como as condi¸c˜oes no Teorema 5.1. Ent˜ao M ´e localmente um hiperplano, uma hiperesfera ou um cilindro. Demonstra¸c˜ao. Pelo Teorema 5.1, sabemos que M coincide localmente com a folha deK⊥ passando por p. Desde que M tem curvatura m´edia constante,
pelo Proposi¸c˜ao 17 n´os temos que a fun¸c˜ao ψ associada a K ´e localmente constante. Pela vers˜ao local do Lema 2, M ´e localmente um hiperplano, uma hiperesfera ou um cilindro.