UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR ´
A
CENTRO DE CI ˆENCIAS
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OS-GRADUAC
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AO EM MATEM ´
ATICA
Marcos Ferreira de Melo
IMERS ˜
OES ISOM ´ETRICAS EM GRUPOS DE LIE
NILPOTENTES E SOL ´
UVEIS
Marcos Ferreira de Melo
IMERS ˜
OES ISOM ´ETRICAS EM GRUPOS DE LIE
NILPOTENTES E SOL ´
UVEIS
Tese submetida `a Coordenac¸˜ao do Curso de P ´os-Graduac¸˜ao em Matem´atica, da Universidade Federal do Cear´a, como requisito parcial para obtenc¸˜ao do grau de Doutor em Matem´atica.
´
Area de concentrac¸˜ao: Geometria diferencial.
Orientador:
Prof. Dr. Jorge Herbert Soares de Lira.
Melo, Marcos Ferreira de
M486i Imers ˜oes isom´etricas em grupos de Lie nilpotentes e sol ´uveis.
Marcos Ferreira de Melo – Fortaleza: 2008. 104f.
Orientador: Prof. Dr. Jorge Herbert Soares de Lira.
´
Area de concentrac¸˜ao: Geometria Diferencial
Tese (doutorado)- Universidade Federal do Cear´a;
Departamento de Matem´atica, 2008
i
Agradecimentos
Agradec¸o, primeiramente, a Jeov´a Deus pelo dom da vida e por todas as bˆenc¸˜aos a mim concedidas.
Agradec¸o `a minha esposa, Rebeca Melo, pelo amor, carinho e compreens˜ao em todos esses anos.
Agradec¸o `a minha m˜ae, Aurea e minha irm˜a Joyce pelo afeto e incentivo durante a minha vida.
Agradec¸o ao meu irm˜ao Marcelo Melo pela cumplicidade, apoio e companheirismo em toda a minha vida.
Agradec¸o aos meus sogros Joaquim Ibiapina e Neusa Bezerra por toda a considerac¸˜ao, assistˆencia, arrimo e desvelo em todos esses anos. Agradec¸o aos meus cunhados Andr´e, D´ebora, Tiago e Priscila pela estima e boa convivˆencia.
Agradec¸o ao meu orientador, Jorge Herbert, pelo perito trabalho de orientac¸˜ao e por todo o imprescind´ıvel suporte que proporcionou a realizac¸˜ao desta tese de doutorado.
Agradec¸o aos professores Abdˆenago Barros e Gerv´asio Colares pelas pertinentes e valiosas sugest ˜oes em adendo a este trabalho, por aquiescerem em participar da banca de defesa desta tese e por todo o apoio nestes anos em que participei deste programa de p ´os-graduac¸˜ao. Agradec¸o ao professores Paolo Piccione e Pedro Roitman por suas apropriadas e ponderadas considerac¸ ˜oes e admoestac¸ ˜oes e por assentirem em tomar parte da comiss˜ao julgadora deste trabalho.
iii
Agradec¸o aos professores F´abio Montenegro, Alexandre Fernandes, Lucas Barbosa e Cleon Barroso pelo valoroso ensino e aprendizado que angariei nas disciplinas por eles ministradas neste programa de doutorado.
Agradec¸o a todos os meus colegas de p ´os-graduac¸˜ao em matem´atica da UFC, em es-pecial, a Francisco Andrade, Jorge Hinojosa, Jose´ılson Lima, Juscelino Pereira e Paulo Alexandre por terem me ajudado nas disciplinas que cursaram comigo.
Agradec¸o `a secret´aria da p ´os-graduac¸˜ao, Andr´eia Dantas, pela assiduidade e com-petˆencia em executar suas atribuic¸ ˜oes que, em particular, me beneficiaram. Agradec¸o aos demais secret´arios, Antonia Catarina, Carlos Adriano e M´arcio Pereira pelo proveito que obtive em virtude do bom trabalho desempenhado por eles.
Agradec¸o `a bibliotec´aria da matem´atica, Rocilda Sales, e aos seus auxiliares, Francisca Fernanda e Erivan Carneiro pelo benef´ıcio que me trouxeram atrav´es bom desem-penho de suas atividades.
Agradec¸o aos meus colegas da UFC no campus do Cariri por todo amparo e aux´ılio que recebi para concluir a minha tese doutorado.
Agradec¸o a CAPES e ao CNPq pelo apoio financeiro.
iv
“Semeia de manh˜a a tua semente, e n˜ao descanses a tua m˜ao at´e a noitinha; pois n˜ao sabes onde esta ter´a bom ˆexito , quer aqui quer ali, ou se ambas ser˜ao igual-mente boas.”
Sum´ario
Agradecimentos ii
Resumo 1
Abstract 2
Introdu¸c˜ao 3
1 No¸c ˜oes Preliminares 10
1.1 Grupos de Lie Nilpotentes . . . 10
1.1.1 Conex˜ao e Curvatura para Campos Arbitr´arios . . . 12
1.2 Grupos de Lie Sol ´uveis . . . 13
1.2.1 Conex˜ao e Curvatura para Campos Arbitr´arios . . . 17
2 Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 20 2.1 Alguns Tensores Auxiliares . . . 20
2.1.1 Definic¸˜ao Alternativa do TensorL . . . 28
2.2 Existˆencia de um Referencial Adaptado . . . 30
2.3 Existˆencia de Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes . . . . 38
2.4 Apˆendice . . . 41
3 Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Sol ´uveis 44 3.1 Alguns Tensores Auxiliares . . . 44
3.1.1 Definic¸˜ao Alternativa do TensorL . . . 61
3.2 Existˆencia de um Referencial Adaptado . . . 67
3.3 Existˆencia de Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Sol ´uveis . . . 77
Sum´ario vi
4 Imers ˜oes Isom´etricas no Espa¸co Hiperb ´olico Complexo 78
4.1 O Espac¸o Hiperb ´olico ComplexoCH2 . . . . 79
4.1.1 Conex˜ao Riemanniana emCH2 . . . . 80
4.1.2 A Curvatura deCH2 . . . . 82
4.2 As Equac¸ ˜oes de Compatibilidade emCH2 . . . . 91
4.3 Existˆencia de Imers ˜oes Isom´etricas emCH2 . . . 100
Resumo
Neste trabalho, demonstramos teoremas estabelecendo condic¸ ˜oes suficientes para a existˆencia de imers ˜oes isom´etricas com curvatura extr´ınseca prescrita em grupos de Lie nilpotentes e sol ´uveis, isto ´e, grupos de LieN, Scujas respectivas ´algebras de Lie
n,ss˜ao da forman=z⊕vcom
[v,v]⊂z, [z,v] ={0}, [z,z] ={0},
es = z⊕v⊕a, onde z⊕v ´e nilpotente, a = RH ´e um fator unidimensional, com o
colchete de lie estendido aaatrav´es das relac¸ ˜oes
[H, E] = 1
2E, [H, Z] =Z
paraE ∈ veZ ∈ z. Obtemos assim uma generalizac¸˜ao do Teorema Fundamental da Teoria de Subvariedades em Rn e, em particular, obtemos resultados de imers˜ao em
todos os grupos tipo-Heisenberg e em todos os espac¸os de Damek-Ricci.
Abstract
In this paper, we prove theorems establishing sufficient conditions to existence for iso-metric immersions with prescribed extrinsic curvature in two-step nilpotent Lie groups and solvmanifolds.
We obtain a generalization of the Fundamental Theorem of Submanifold Theory in
Rnand, in particular, we one has immersion results in the generally Heisenberg type
groups and Damek-Ricci spaces.
Introdu¸c˜ao
Atribui-se ao ge ˆometra O. Bonnet o usualmente denominado Teorema Fundamental da Teoria de Superf´ıcies, cujo teor pode ser resumido como a prova de que, caso satisfac¸am formalmente as equac¸ ˜oes de Gauss e Codazzi, duas formas quadr´aticas dadas em um aberto simplesmente conexo do plano, uma das quais positiva-definida, podem ser realizadas como a m´etrica induzida e a curvatura extr´ınseca de uma su-perf´ıcie imersa no espac¸o euclidiano. O m´erito incontest´avel do teorema ´e estabelecer um prol´ıfico enlace entre a teoria de superf´ıcies e a an´alise de equac¸ ˜oes diferenciais par-ciais. Isto grac¸as ao fato de que, apresentadas em termos de componentes locais, as for-mas quadr´aticas satisfazem a um sistema sobre-determinado de equac¸ ˜oes de primeira ordem, cujas condic¸ ˜oes de compatibilidade s˜ao justamente as equac¸ ˜oes fundamentais de Gauss e Codazzi.
A linguagem de fibrados principais presta-se exemplarmente ao enunciado preciso de extens ˜oes naturais do Teorema de Bonnet a teoria de subvariedades em formas es-paciais, como demonstradas segundo uma not´avel variedade de formas na literatura, a exemplo de [9], [22], [28], [34] e [36]. A despeito da diversidade de formulac¸ ˜oes, o Teorema Fundamental da Teoria de Subvariedades em formas espaciais assenta-se na possibilidade de construir-se sobre a variedade a ser imersa um fibrado vetorial com curvatura nula. As equac¸ ˜oes de Gauss, Codazzi, acrescidas da equac¸˜ao de Ricci, que regula a curvatura do fibrado normal, s˜ao vistas como condic¸ ˜oes suficientes para a e-xistˆencia de um referencial ortonormal paralelo no fibrado, o qual mimetiza o referen-cial can ˆonico no espac¸o euclidiano. Naturalmente, o fibrado passa a ser representado como o ambiente euclidiano em que imergimos a variedade. Uma variante interessante desta id´eia, com curiosas interpretac¸ ˜oes em termos da Teoria de Elasticidade, pode ser lida em [7] e [8].
Embora constituam um sistema de equac¸ ˜oes diferenciais sobejamente d´ıficil de
Sum´ario 4 nipular, as equac¸ ˜oes fundamentais de Gauss, Codazzi e Ricci s˜ao ferramentas indis-pens´aveis ao estudo de existˆencia e unicidade (rigidez) de subvariedades em espac¸os de curvatura constante. Surpreendentemente, em casos de not ´orio interesse geom´etrico, como o estudo de superf´ıcies m´ınimas e, mais geralmente, de superf´ıcies de curvatura m´edia constante, as equac¸ ˜oes de Gauss e Codazzi correspondem a equac¸ ˜oes ampla-mente estudadas via ferramentas de sistemas integr´aveis. Este ´e o caso da precursora representac¸˜ao de Weierstrass para superf´ıcies m´ınimas, que relaciona o teorema funda-mental a equac¸ ˜oes de Cauchy-Riemann e cuja formulac¸˜ao recente, baseada em textos cl´assicos, vincula tais superf´ıcies a an´alise do operador de Dirac em superf´ıcies de Rie-mann. Nestes exemplos, e em tantos outros cuja enumerac¸˜ao n˜ao ´e o nosso enfoque presentemente, o teorema fundamental ´e o arcabouc¸o derradeiro para validar teoremas de representac¸˜ao ou teoremas de equivalˆencia.
Estas considerac¸ ˜oesper sitalvez justifiquem por que, recentemente, assiste-se a um consider´avel esforc¸o de pesquisa sobre teoremas de existˆencia de imers ˜oes isom´etricas em espac¸os mais gerais. A t ˆonica de diversos artigos na literatura pertinente ´e a investigac¸˜ao das condic¸ ˜oes de integrabilidade para superf´ıcies em espac¸os homogˆeneos de dimens˜ao trˆes, entre os quais as formas espaciais tridimensionais figuram como os exemplos com quantidade m´axima de movimentos r´ıgidos independentes. A lista completa destes espac¸os ´e j´a amplamente conhecida, em func¸˜ao dos primeiros esforc¸os na direc¸˜ao da geometrizac¸˜ao do Teorema de Poincar´e, e inclui, como exemplo, o grupo de Heisenberg de dimens˜ao trˆes. A prop ´osito, referimos o leitor a [33] e [37].
Os artigos [14] e [15] s˜ao, do nosso conhecimento, os primeiros trabalhos em que s˜ao descritas vers ˜oes do teorema fundamental para, respectivamente, imers ˜oes isom´etricas em produtos riemannianos de um espac¸o de curvatura constante por uma c ´opia da reta real e nos espac¸os homogˆeneos com grupos de isometrias de dimens˜ao quatro. Posteriormente, resultados similares sobre imers ˜oes em produtos semi-riemannianos de formas espaciais foram demonstrados em [23] e [38], adaptando as id´eias apresen-tadas em [14]. Em [26], formula-se um teorema de existˆencia de imers ˜oes isom´etricas no modelo sol ´uvel de um espac¸o homogˆeneo de dimens˜ao trˆes com grupo de isome-trias tamb´em tridimensional.
Sum´ario 5 superf´ıcie imersa com respeito as linhas de fluxo de um campo de Killing distinguido do ambiente. Observamos que, em todos os casos tratados em [14] e [15], o ambi-ente submerge em um espac¸o de curvatura constante e as fibras da submers˜ao podem ser parametrizadas como linhas de fluxo de um campo gerando uma translac¸˜ao am-biente. A propriedade exemplar destes espac¸os ´e que a conex˜ao riemanniana e o ten-sor de curvatura podem, ao longo da superf´ıcie imersa, ser completamente descritos em termos da curvatura da base da submers˜ao e das projec¸ ˜oes do campo de Killing tangentes e normais a superf´ıcie. Ilustrando a vinculac¸˜ao do Teorema de Bonnet a teo-ria de superf´ıcies de curvatura m´edia constante, sobre que discorremos acima, men-cionamos que diversos trabalhos posteriores combinaram os teoremas demonstrados por Daniel a existˆencia de uma forma quadr´atica holomorfa, como asegurada em [1] e [2], para produzir uma consistente gama de exemplos e resultados de estrutura so-bre superf´ıcies m´ınimas, de curvatura m´edia ou intr´ınseca constante nestes espac¸os. Desincumbidos da pretens˜ao de sermos exaustivos, citamos, da enorme quantidade de contribuic¸ ˜oes de que tomamos not´ıcia, os artigos [3], [16], [17], [20] e [35].
Sum´ario 6 Destacamos que teoremas de existˆencia de imers ˜oes isom´etricas em grupos de Lie dotados de uma m´etrica invariante `a esquerda est˜ao entre os diversos corol´arios do teorema geral em [29] - v. tamb´em [26] - a que aludimos anteriormente. Dito de modo algo impreciso, os autores tomam comoG-estrutura a trivializac¸˜ao do fibrado tangente do grupo de Lie ambiente obtida pela escolha de um referencial global, ortonormal e invariante `a esquerda. Com isto, tornam constante o tensor de Christoffel e o tensor de curvatura. Mimetizam, ent˜ao, estas escolhas em um fibrado sobre a variedade a ser imersa, considerando a existˆencia de secc¸ ˜oes neste fibrado em que a derivada co-variante ´e inteiramente descrita pelo tensor de Christoffel do grupo. Na linguagem de B. Daniel, isto corresponderia a tomar condic¸ ˜oes adicionais envolvendo derivadas de primeira ordem das projec¸ ˜oes tangentes e normais detodosos campos nos referenciais distinguidos do fibrado.
Nos cap´ıtulos a seguir, empreendemos uma construc¸˜ao a meio caminho entre as apresentados por Daniel e por Piccione e Tausk. Lidamos com uma classe espec´ıfica de espac¸os ambiente, a saber, grupos de Lie nilpotentes e sol ´uveis munidos de uma m´etrica invariante `a esquerda, sem, contudo, impor o mesmo gˆenero de condic¸ ˜oes adi-cionais requeridas em [29]. Mais precisamente, utilizando o fato de que, neste grupos, destaca-se uma sub´algebra de campos de Killing conformes invariantes `a esquerda, pretendemos descrever inteiramente a derivada covariante e, por conseguinte, a cur-vatura destes espac¸os unicamente em termos da m´etrica, de projec¸ ˜oes na direc¸˜ao destes campos e de suas derivadas covariantes, as quais consideramos em conjunto como ten-sores distinguidos. Pretendendo evitar antecipar uma embarac¸osa lista de notac¸ ˜oes e noc¸ ˜oes, dirigimos o leitor diretamente para o exame dos seguintes teoremas, demons-trados no corpo do texto. O primeiro destes trata de imers ˜oes isom´etricas em um grupo de LieN nilpotente a dois passos.
Teorema 1. SejaMm uma variedade Riemanniana orientada, simplesmente conexa e seja E
um fibrado vetorial Riemanniano real com postom′ de modo que S = T M ⊕E ´e um fibrado vetorial trivial. Fixamos um referencial ortonormal global {Eˆk}n+n
′
k=1 em S. Sejam ∇ˆ e R,ˆ
nesta ordem, a conex˜ao compat´ıvel e o tensor curvatura deSe∇,∇E
as conex˜oes compat´ıveis induzidas emT M eE, respectivamente. DefinimosJˆk,Lˆ eQˆ como em (2.20), (2.22) e (2.23),
respectivamente. Supomos que estes campos satisfa¸cam as equa¸c˜oes
ˆ
Sum´ario 7 e
ˆ
∇Eˆn+k=−
1
2Jˆk, k = 1, . . . , n
′.
(2) Ent˜ao, existem uma imers˜ao isom´etricaf : M → N e um isomorfismof⊥ : E →T M⊥, onde T M⊥denota o fibrado normal ao longo def, de modo quef⊥ ´e uma isometria, quando restrito `as fibras, e satisfaz
f∗∇EXV = ¯∇⊥f∗Xf
⊥V, X ∈Γ(T M), V ∈Γ(E), (3) f⊥II(X, Y) = ¯∇⊥f∗Xf∗Y, X, Y ∈Γ(T M), (4)
onde∇¯⊥denota a conex˜ao normal emT M⊥. A imers˜ao isom´etrica ´e ´unica, a menos de escolhas de um referencial global emSe movimentos r´ıgidos emN.
Os tensores Jˆk reproduzem, no fibrado S, as derivadas covariantes dos campos de
Killing na sub´algebraz = [n,n] da ´algebra de Lien deN. Os tensores Lˆ eQˆ provˆem das express ˜oes, deduzidas no Cap´ıtulo 2, da conex˜ao riemanniana e da curvatura de N em termos dos campos de Killing nesta sub´algebra e de suas derivadas covariantes. O teorema correspondente para imers ˜oes isom´etricas em um grupo de LieSsol ´uvel a trˆes passos ´e obtido igualmente descrevendo-se a conex˜ao e a curvatura ambientes em termos de campos vetoriais nas duas ´ultimas parcelas da soma diretas=v⊕z⊕a
em que se decomp ˜oe a ´algebra de LiesdeS. Novamente, desempenham papel crucial estes campos e suas derivadas covariantes, embutidas na definic¸˜ao dos tensoresJ,ˆ Lˆe
ˆ
Qdo enunciado.
Teorema 2.SejaMmuma variedade Riemanniana orientada, simplesmente conexa e sejaEum
fibrado vetorial Riemanniano real com postom′de modo queS=T M⊕E´e um fibrado vetorial trivial. Fixamos um referencial ortonormal global{Eˆk}n+n
′+1
k=1 emS. Sejam∇ˆ eR, nesta ordem,ˆ
a conex˜ao compat´ıvel e o tensor curvatura deSe∇,∇E
as conex˜oes compat´ıveis induzidas em T M eE, respectivamente. Definimos Jˆk,Jˆn′+1, Lˆ eQˆ como em (3.18), (3.19), (3.24) e (3.25),
respectivamente. Supomos que estes campos satisfa¸cam as equa¸c˜oes
ˆ
R = ˆQ (5)
e
ˆ
∇Eˆn+k =−
1
2Jˆk, k = 1, . . . , n
′, n′ + 1.
(6) Ent˜ao, existem uma imers˜ao isom´etricaf : M → S e um isomorfismof⊥
∗ : E → T M⊥, onde T M⊥denota o fibrado normal ao longo def, de modo quef⊥
Sum´ario 8 `as fibras, e satisfaz
f∗∇E
XV = ¯∇
⊥
f∗Xf
⊥
∗ V, X ∈Γ(T M), V ∈Γ(E), (7) f∗⊥II(X, Y) = ¯∇⊥f
∗Xf∗Y, X, Y ∈Γ(T M), (8)
onde∇¯⊥denota a conex˜ao normal emT M⊥. A imers˜ao isom´etrica ´e ´unica, a menos de escolhas de um referencial global emSe movimentos r´ıgidos emS.
A restric¸˜ao de nossa caminhada e grupos nilpotentes a dois ou trˆes passos torna-se justificada em parte por raz ˜oes t´ecnicas, dada a crescente dificuldade de determinar express ˜oes manipul´aveis dos tensores fundamentais em uma situac¸˜ao absolutamente geral. Um outro motivo, de car´ater geom´etrico, que nos fez circunscrever a an´alise a estas classes de grupos, ´e o fato de que incluem os afamados grupos tipo-Heisenberg e espac¸os de Damek-Ricci t˜ao vastamente estudados em v´arias ´areas de Geometria Riemanniana e da An´alise Geom´etrica. Uma pequena amostra de textos pioneiros no campo pode ser encabec¸ada por [4], [5], [10], [11], [12], [13], [18], [19], [21], [24] e [25]. Como ilustrac¸˜ao do alcance dos resultados que obtivemos, apresentamos `a parte uma vers˜ao do teorema fundamental para imers ˜oes isom´etricas no espac¸o hiperb ´olico com-plexo, cujo enunciado denota proximidade com os resultados de B. Daniel.
Teorema 3. Sejam M uma variedade Riemanniana orientada e simplesmente conexa de di-mens˜ao 3,h·,·ia m´etrica emM,∇a conex˜ao compat´ıvel correspondente eJi os endomorfismos
emT M dados por
JiX =X×Ti×ν, i= 1,2,
ondeT1 eT2 s˜ao campos vetoriais emM eν ´e uma sec¸c˜ao global no fibrado trivialM ×R. Seja
Sum campo sim´etrico de operadores Sy :TyM → TyM e sejamf1 ef2 fun¸c˜oes suaves emM
tais que||Ti||2 +fi2 = 1, parai = 1,2.Ent˜ao, existe uma imers˜ao isom´etricaf : M → CH2
se, e somente se,(h., .i, S, T1, T2, f1, f2)satisfazem as equa¸c˜oes de Gauss e Codazzi paraCH2e,
para todo campo vetorialX emM, as seguintes equa¸c˜oes s˜ao satisfeitas
∇XT1 = f1SX −
1
2f2J1X+ 1
2f1J2X− hX, T1iT2, (9) df1(X) = −hSX, T1i −
1
2hX, T1i − 1
Sum´ario 9 e
∇XT2 = f2SX −
1 2X−
1
2hX, T1iT1+ 1
2hX, T2iT2, (11) df2(X) = −hSX, T2i −
1
2hX, T1if1+ 1
2hX, T2if2, (12)
ou seja,(h., .i, S, T1, T2, f1, f2)satisfazem as equa¸c˜oes de compatibilidade paraCH2.
Cap´ıtulo 1
No¸c ˜oes Preliminares
Neste cap´ıtulo, apresentamos os grupos de Lie objeto de nosso estudo e estabelecemos alguns fatos geom´etricos b´asicos nesses espac¸os.
1.1
Grupos de Lie Nilpotentes
SejaN um grupo de Lie com ´algebra de Liene forma de Maurer-Cartanωn. A conex˜ao de Levi-Civit`a para uma dada m´etrica invariante `a esquerdah·,·iemN ´e
2 ¯∇EF = [E, F]−ad∗E ·F −ad
∗
F ·E, (1.1)
para campos invariantes `a esquerdaE, F emn, onde adE = [E, · ]e
had∗E·F, Gi=hF,adE ·Gi=hF,[E, G]i, E, F, G ∈n.
Supomos quenadmite a decomposic¸˜aon=z⊕vcom
[v,v]⊂z, [z,v] ={0}, [z,z] ={0}, (1.2) o que obviamente implica que
[n,n]⊂z, [n,[n,n]] ={0}. (1.3)
Desse modo,N ´e um grupo de Lie nilpotente (a dois passos). Vamos denotar porne n′ as dimens ˜oes de v and z, respectivamente. Podemos, sem perda de generalidade, supor que a m´etrica invariante `a esquerdah·,·iemN ´e escolhida de modo que a soma diretan =z⊕v ´e ortogonal.
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 11 As relac¸ ˜oes (1.2) implicam que
¯
∇EF =
1
2[E, F] (1.4)
para campos invariantes `a esquerda emv. Tamb´em obtemos de (1.2) que∇¯ZZ′ = 0
para quaisquer campos invariantes `a esquerdaZ, Z′emz.
Dado um campo de vetoresZ ∈ z, ´e f´acil ver que (1.4) ´e equivalente ao fato de que
¯
∇Z gera uma transformac¸˜ao linear anti-sim´etrica em v. Com efeito, para E, F ∈ v, tem-se que
h∇¯EZ, Fi=−
1
2h[E, F], Zi=− 1 2had
∗
EZ, Fi, (1.5)
paraZ ∈zeE, F ∈v. DenotamosJZ :v →v,JZE =ad∗EZ. Verifica-se imediatamente
que os campos de vetores emzs˜ao campos de Killing. De fato,
h∇¯ZZ′, Z′′i= 0, h∇¯EZ, Z′i= 0, (1.6)
paraE ∈vandZ, Z′, Z′′ ∈z. Finalmente, uma vez que[z,v] ={0}, segue-se que
¯
∇ZE = ¯∇ZE =−
1
2JZE, E ∈v. (1.7)
Assim, conclu´ımos que a derivada covariante para campos invariantes `a esquerda em
(N,h·,·i) ´e dada por
¯
∇EF =
1
2[E, F], E, F ∈v, (1.8)
¯
∇EZ =−
1
2JZE =− 1 2ad
∗
EZ, E ∈v, Z ∈z, (1.9)
¯
∇ZZ′ = 0, Z, Z′ ∈z. (1.10)
O operadorJZ, associado a um campo de vetoresZ ∈z, pode ser estendido ancomo
JZ :=−2 ¯∇Z. (1.11)
´E tamb´em apropriado considerar o campo tensorial do tipo(0,2), igualmente denotado porJZ, definido porJZ(E, F) = hJZE, Fi.
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 12 N, o qual admite a seguinte decomposic¸˜ao (veja [18])
¯
R(E, F)G=−1
4J[E,G]F + 1
4J[F,G]E− 1
2J[E,F]G, (1.12) ¯
R(E, F)Z =−1
2
¡¯
∇FJZ
¢ E+1
2
¡¯
∇EJZ
¢
F, (1.13)
¯
R(E, Z)F = 1 2
¡¯
∇EJZ
¢
F, (1.14)
¯
R(E, Z)Z′ = 1
4JZJZ′E, (1.15)
¯
R(Z, Z′)E = 1
4JZ′JZE− 1
4JZJZ′E, (1.16) ¯
R(Z, Z′)Z′′ = 0, (1.17)
para E, F, G ∈ v e Z, Z′, Z′′ ∈ z. ´E poss´ıvel reescrever (1.13) e (1.14) em termos do colchete de Lie e dos tensoresJ. De fato, temos, paraE, F ∈veZ ∈z,
( ¯∇EJZ)F = ¯∇E(JZF)−JZ∇¯EF = ¯∇E(JZF) =
1
2[E, JZF],
onde estamos usando o fato queJZF ∈v. Assim, obtemos
( ¯∇EJZ)F =
1
2[E, JZF]. (1.18)
´E tamb´em ´util observar que, dadoZ′ ∈z, vale
h( ¯∇EJZ)F, Z′i = h∇¯E(JZF), Z′i=EhJZF, Z′i − hJZF,∇¯EZ′i
= −hJZF,∇¯EZ′i
= 1
2hJZF, JZ′Ei.
Assim, podemos concluir que
h( ¯∇EJZ)F, Z′i=
1
2hJZF, JZ′Ei. (1.19)
1.1.1
Conex˜ao e Curvatura para Campos Arbitr´arios
Dado um campo de vetoresX em N, denotamos porXveXzsuas projec¸ ˜oes sobre os subespac¸osvez, respectivamente.
Usando as f ´ormulas obtidas em (1.8)-(1.10) para campos invariantes `a esquerda, obtemos a seguinte express˜ao para a derivada covariante ambiente em termos de cam-pos de vetoresX, Y, V arbitr´ariosemN:
¯
∇XY = ∇¯XvYv+ ¯∇XvYz+ ¯∇XzYv+ ¯∇XzYz
= 1
2[X, Y]− 1 2JYzX
v
− 1
2JXzY
v
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 13 O tensor curvatura se decomp ˜oe do seguinte modo:
¯
R(X, Y)V = R¯(Xv, Yv)Vv
+ R¯(Xv, Yv)Vz+ ¯R(Xv, Yz)Vv−R¯(Yv, Xz)Vv
+ R¯(Xv, Yz)Vz−R¯(Yv, Xz)Vz+ ¯R(Xz, Yz)Vv. (1.21) Da´ı, usando as express ˜oes (1.12)-(1.17) e contraindo (1.21) com um quarto campo veto-rialW ∈Γ(T N), segue-se que
hR¯(X, Y)V, Wi = −1
4hJ[Xv,Vv]Y
v, Wvi+1
4hJ[Yv,Vv]X
v, Wvi
− 1
2hJ[Xv,Yv]V
v, Wvi
+ 1
2
³
h( ¯∇XvJVz)Yv, Wzi − h∇¯YvJVz)Xv, Wzi
+ h( ¯∇XvJYz)Vv, Wzi − h(∇YvJXz)Vv, Wzi
´
+ 1
4
³
hJYzJVzXv, Wvi − hJXzJVzYv, Wvi
+ hJYzJXzVv, Wvi − hJXzJYzVv, Wvi
´ .
Note que
hJ[Xv,Vv]Yv, Wvi=h[Xv, Vv],[Yv, Wv]i. (1.22)
Usando (1.22) e a anti-simetria do tensorJ, conclu´ı-se que
hR¯(X, Y)V, Wi = −1
4h[X
v, Vv],[Yv, Wv]i+1
4h[Y
v, Vv],[Xv, Wv]i
− 1
2h[X
v, Yv],[Vv, Wv]i
+ 1
2
³
h( ¯∇XvJVz)Yv, Wzi − h∇¯YvJVz)Xv, Wzi
+ h( ¯∇XvJYz)Vv, Wzi − h(∇YvJXz)Vv, Wzi
´
− 1
4
³
hJVzXv, JYzWvi − hJVzYv, JXzWvi
+ hJXzVv, JYzWvi − hJYzVv, JXzWvi
´
. (1.23)
1.2
Grupos de Lie Sol ´uveis
SejaS um grupo de Lie com ´algebra de Liese forma de Maurer-Cartanωs. A conex˜ao de Levi-Civit`a para uma dada m´etrica invariante `a esquerdah·,·iemS ´e
2 ¯∇EF = [E, F]−ad∗E ·F −ad
∗
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 14 para campos de vetores invariantes `a esquerdaE, F ems, onde adE = [E, · ]e
had∗E ·F, Gi=hF,adE·Gi=hF,[E, G]i, E, F, G∈s.
Supomos quesadmite a decomposic¸˜aos =z⊕v⊕a, onde a= RH ´e um fator
unidi-mensional, com
[v,v]⊂z, [z,v] ={0}, [z,z] ={0}, (1.25) e o colchete de Lie ´e estendido aapelas relac¸ ˜oes
[H, E] = 1
2E, [H, Z] =Z (1.26)
paraE ∈vandZ ∈z, o que obviamente implica que
[s,s]⊂z⊕v=:n, [n,n] =z, [z,n] ={0}. (1.27) Assim,S ´e um grupo de Lie sol ´uvel (ou nilpotente a trˆes passos). Denotamos pornen′ as dimens ˜oes devez, respectivamente. Podemos assumir, sem perda de generalidade, que a m´etrica invariante `a esquerdah·,·iemS ´e escolhida de modo que a soma direta
s=z⊕v⊕a ´e ortogonal. As relac¸ ˜oes (1.25) e (1.26) implicam que
¯
∇H = 0, (1.28)
¯
∇EF =
1
2hE, FiH+ 1
2[E, F], (1.29) ¯
∇EH =−
1
2E, (1.30)
¯
∇EZ =−
1 2ad
∗
EZ (1.31)
e
¯
∇ZH=−Z, (1.32)
¯
∇ZE =−
1 2ad
∗
EZ, (1.33)
¯
∇ZZ′ =hZ, Z′iH, (1.34)
paraE, F ∈v,Z, Z′ ∈zeH ∈a.
Dado um campo vetorial Z ∈ z, observamos que (1.31) ´e equivalente ao fato de que∇¯Z gera uma transformac¸˜ao linear anti-sim´etrica em v. Com efeito, paraE, F ∈
v, Z′ ∈zeH ∈a, temos
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 15
2h∇¯EZ, Fi=h[E, Z]F,i − h[Z, F], Ei − h[Z, F], Ei=−hadEF, Zi=−had∗EZ, Fi (1.36)
e, finalmente,
2h∇¯EZ, Z′i=h[E, Z], Z′i − h[E, Z′], Zi − h[Z, Z′], Ei= 0, (1.37)
paraE, F ∈v, Z, Z′ ∈zeH ∈a. DenotamosJ
Z :v→v,JZE =ad∗EZ.
Considerando o campo vetorialH ∈ a, observamos que (1.30) e (1.32) s˜ao equiva-lentes ao fato de que∇¯H gera uma transformac¸˜ao linear sim´etrica emz⊕vtal que z
ev s˜ao subespac¸os invariantes. Escrevemos JH : v → v, JHE = −12E eJH : z → z,
JHZ =−Z.
Os operadoresJZ, JH, associados aos camposZ ∈zeH ∈a, podem ser estendidos
aspondo
JZ :=−2 ¯∇Z, JH :=−2 ¯∇H. (1.38)
´E ´util considerar os campos tensoriais do tipo (0,2), tamb´em denotados por JZ, JH,
dados porJZ(E, F) =hJZE, Fi, JH(E, F) =hJHE, Fi.
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 16 tensor curvatura deS:
¯
R(E, H)H = 1
4E, (1.39)
¯
R(Z, H)H =Z, (1.40)
¯
R(E, F)G=−1
4hE, GiF + 1
4hF, GiE− 1
4J[E,G]F (1.41) +1
4J[F,G]E− 1
2J[E,F]G, ¯
R(E, F)H =−1
2[E, F], (1.42)
¯
R(E, H)F =−1
4hE, FiH− 1
4[E, F], (1.43)
¯
R(E, F)Z = 1
2hJZE, FiH+ 1
4[E, JZF]− 1
4[F, JZE], (1.44) ¯
R(Z, E)F = 1
2hE, FiH− 1
4[E, JZF]− 1
4hJZE, FiH, (1.45)
R(E, Z)Z′ = 1
4JZJZ′E+ 1 2hZ, Z
′iE, (1.46)
¯
R(Z, Z′)E = 1
4[JZ′, JZ]E, (1.47)
¯
R(Z, Z′)Z′′ =hZ′, Z′′iZ− hZ, Z′′iZ′, (1.48)
¯
R(Z, Z′)H = 0, (1.49)
¯
R(Z, H)Z′ =−hZ, Z′iH, (1.50)
¯
R(H, E)Z =−1
4JZE, (1.51)
¯
R(H, Z)X =−1
2JZX, (1.52)
¯
R(E, Z)H =−1
4JZE, (1.53)
paraE, F, G∈v, Z, Z′, Z′′∈zeH ∈a. ´E tamb´em ´util observar que,
( ¯∇EJZ)F = ∇¯E(JZF)−JZ( ¯∇EF)
= 1
2hE, JZFiH+ 1
2[E, JZF]−JZ
¡1
2hE, FiH+ 1 2[E, F]
¢
= 1
2hE, JZFiH+ 1
2[E, JZF]− 1
2JZ([E, F]),
ou seja,
[E, JZF] = 2( ¯∇EJZ)F − hE, JZFiH+JZ[E, F] (1.54)
e, consequentemente,
h[E, JZF], Z
′
i= 2h( ¯∇EJZ)F, Z
′
i. (1.55)
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 17
1.2.1
Conex˜ao e Curvatura para Campos Arbitr´arios
Dado um campo vetorialXemS, denotamos porXv, XzeXasuas projec¸ ˜oes sobre os subespac¸osv, zea, respectivamente.
Usando as f ´ormulas obtidas em (1.28)-(1.34) para campos invariantes `a esquerda, obtemos a seguinte express˜ao para a derivada covariante ambiente em termos de cam-pos de vetoresX, Y, V arbitr´ariosemS:
¯
∇XY = ∇¯XvYv+ ¯∇XvYz+ ¯∇XvYa+ ¯∇XzYv+ ¯∇XzYz+ ¯∇XzYa
= 1
2hX
v, YviH+ 1
2[X
v, Yv]− 1
2JXvY
z−1
2hY, HiX
v+XvhY, HiH
− 1
2JYvX
z− hXz, YziH− hY, HiXz+XzhY, HiH. O tensor curvatura se decomp ˜oe do seguinte modo:
¯
R(X, Y)V = R¯(Xa, Yv)Va+ ¯R(Xa, Yv)Vv+ ¯R(Xa, Yv)Vz
+ R¯(Xa, Yz)Va+ ¯R(Xa, Yz)Vv+ ¯R(Xa, Yz)Vz
+ R¯(Xv, Ya)Va+ ¯R(Xv, Ya)Vv+ ¯R(Xv, Ya)Vz
+ R¯(Xv, Yv)Va+ ¯R(Xv, Yv)Vv+ ¯R(Xv, Yv)Vz
+ R¯(Xv, Yz)Va+ ¯R(Xv, Yz)Vv+ ¯R(Xv, Yz)Vz
+ R¯(Xz, Ya)Va+ ¯R(Xz, Ya)Vv+ ¯R(Xz, Ya)Vz
+ R¯(Xz, Yv)Va+ ¯R(Xz, Yv)Vv+ ¯R(Xz, Yv)Vz
+ R¯(Xz, Yz)Va+ ¯R(Xz, Yz)Vv+ ¯R(Xz, Yz)Vz,
ou seja,
¯
R(X, Y)V = hX, HihV, HiR¯(H, Yv)H+hX, HiR¯(H, Yv)Vv+hX, HiR¯(H, Yv)Vz
+ hX, HihV, HiR¯(H, Yz)H+hX, HiR¯(H, Yz)Vv+hX, HiR¯(H, Yz)Vz
+ hY, HihV, HiR¯(Xv, H)H+hY, HiR¯(Xv, H)Vv+hY, HiR¯(Xv, H)Vz
+ hV, HiR¯(Xv, Yv)H+ ¯R(Xv, Yv)Vv+ ¯R(Xv, Yv)Vz
+ hV, HiR¯(Xv, Yz)H+ ¯R(Xv, Yz)Vv+ ¯R(Xv, Yz)Vz
+ hY, HihV, HiR¯(Xz, H)H+hY, HiR¯(Xz, H)Vv+hY, HiR¯(Xz, H)Vz
+ hV, HiR¯(Xz, Yv)H+ ¯R(Xz, Yv)Vv+ ¯R(Xz, Yv)Vz
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 18 Da´ı, usando as express ˜oes (1.39)-(1.53), obtemos
¯
R(X, Y)V = −1
4hX, HihV, HiY
v+1
4hX, Hi(hY
v, VviH+ [Yv, Vv])− 1
2hX, HiJVzY
v
− hX, HihV, HiYz− 1
2hX, HiJYzV
v+hX, HihYz, VziH
+ 1
4hY, HihV, HiX
v− 1
4hY, Hi(hX
v, VviH+ [Xv, Vv]) + 1
4hY, HiJVzX
v
− 1
2hV, Hi[X
v, Yv]− 1
4hX
v, VviYv+ 1
4hY
v, VviXv− 1
4J[Xv,Vv]Y
v
+ 1
4J[Yv,Vv]X
v− 1
2J[Xv,Yv]V
v+1
2hJVzX
v, YviH+ 1
4[X
v, J
VzYv]−
1 4[Y
v, J
VzXv]
− 1
4hV, HiJYzX
v− 1
2hX
v, VviH−1
4[X
v, J
YzVv]−
1 4hJYzX
v, VviH+1
4JYzJVzX
v
+ 1
2hY
z, VziXv+hY, HihV, HiXz+hY, Hi1
2JXzV
v− hY, HihXz, VziH
+ 1
4hV, HiJXzY
v+1
2hY
v, VviH−1
4[Y
v, J
XzVv]−
1 4hJXzY
v, VviH
− 1
4JXzJVzY
v− 1
2hX
z, VziYv+ 1
4[JYz, JXz]V
v.
Cap´ıtulo 1. No¸c ˜oes Preliminares 19
hR¯(X, Y)V, Wi = −1
4hX, HihV, HihY
v, Wvi+ 1
4hX, Hii(hY
v, VvihW, Hi+h[Yv, Vv], Wzi)
−1
2hX, HihJVzY
v, Wvi − hX, HihV, HihYz, Wzi − 1
2hX, HihJYzV
v, Wvi
+hX, HihW, HihYz, Vzi+1
4hY, HihV, HihX
v, Wvi
−1
4hY, Hi(hX
v, VvihW, Hi+h[Xv, Vv], Wzi) + 1
4hY, HihJVzX
v, Wvi
−1
2hV, Hih[X
v, Yv], Wzi − 1
4hX
v, VvihYv, Wvi+ 1
4hY
v, VvihXv, Wvi
−1
4hJ[Xv,Vv]Y
v, Wvi+1
4hJ[Yv,Vv]X
v, Wvi − 1
2hJ[Xv,Yv]V
v, Wvi
+1 2hJVzX
v, YvihW, Hi+ 1
2h( ¯∇XvJVz)Y
v, Wzi − 1
2h( ¯∇YvJVz)X
v, Wzi
−1
4hV, HihJYzX
v, Wvi −1
2hX
v, VvihW, Hi − 1
2h( ¯∇XvJYz)V
v, Wzi
−1
4hJYzX
v, VvihW, Hi −1
4hJYzW
v, J
VzXvi+
1 2hY
z, VzihXv, Wvi
+hY, HihV, AihXz, Wzi+1
2hY, HihJXzV
v, Wvi − hY, HihW, HihXz, Vzi
+1
4hV, HihJXzY
v, Wvi+1
2hW, HihY
v, Vvi − 1
2h( ¯∇YvJXz)V
v, Wzi
−1
4hW, HihJXzY
v, Vvi+1
4hJXzW
v, J
VzYvi −
1 2hX
z, VzihYv, Wvi
+1
4h[JYz, JXz]V
Cap´ıtulo 2
Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie
Nilpotentes
Neste cap´ıtulo, apresentamos um teorema que estabelece condic¸ ˜oes suficientes para a existˆencia de subvariedades com curvatura extr´ınseca prescrita em grupos de Lie nilpotentes.
Fazemos reiterado uso de alguns tensores auxiliares que s˜ao apresentados a seguir.
2.1
Alguns Tensores Auxiliares
Considerando a decomposic¸˜aon = z⊕v, escolhemos um referencial ortonormal local invariante `a esquerda
E1, . . . , En+n′, (2.1)
tal que os primeiros n campos vetoriais est˜ao em v e os ´ultimos n′ campos vetoriais est˜ao emz. Definimos emN o campo tensorial
−2L(X, Y, V) =
n′
X
k=1
hJkV, XihY, En+ki − n′
X
k=1
hJkY, XihV, En+ki
+
n′
X
k=1
hJkY, VihX, En+ki,
ondeX, Y eV s˜ao campos de vetores emN eJk :=JEn+k para1≤k≤n
′.
Nosso objetivo agora ´e derivar uma express˜ao local para o tensor L. Com esse prop ´osito, consideramos um referencial {ea}n+n
′
a=1 definido num subconjunto aberto O
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 21 deN por
ea =EbAba,
para alguma aplicac¸˜aoA :O ⊂N →SOn+n′. Para1≤k ≤n′, definimos as func¸ ˜oes
Uak=hea, En+ki=Ana+k.
Assim, se (ωa)n+n′
a=1 e (ωab) n+n′
a,b=1 s˜ao, respectivamente, as formas duais e as formas de
conex˜ao associadas ao referencial{ea}n+n
′
a=1 , temos
h∇¯En+k, eai= dUak−
X
c
Uk
cωca=:−
1 2
X
b
uk
baωb. (2.2)
Ademais, obtemos
hJkeb, eai=−2h∇¯ebEn+k, eai=ukba.
ConsiderandoJkcomo um tensor do tipo(0,2), podemos escrever
Jk = n+n′
X
a,b=1
uk abω
a⊗ωb.
(2.3)
Note que
−1
2hJkV, Wi =
n+n′
X
l,r=1
h∇¯VEn+k, Wi=− n+n′
X
l,r=1
hV, ElihW, Erih∇¯ElEr, En+ki
= −
n
X
l,r=1
hV, ElihW, Eri h∇¯ElEr, En+ki
| {z }
=1
2h[El,Er],En+ki
−
n
X
l=1
n+n′
X
r=n+1
hV, ElihW, Eri h∇¯ElEr, En+ki
| {z }
=0
−
n+n′
X
l=n+1
n
X
r=1
hV, ElihW, Eri h∇¯ElEr, En+ki
| {z }
=0
−
n+n′
X
l,r=n+1
hV, ElihW, Eri h∇¯ElEr, En+ki
| {z }
=0
= −1
2
n
X
l,r=1
hV, ElihW, Eriσlrn+k
Em termos de coordenadas locais, isto ´e, fixando-seV =ea, W =eb, temos
ukab = n
X
l,r=1
AlaA r bσ
n+k
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 22 Voltando nossa atenc¸˜ao para o tensorLdefinido acima, temos
−2L(X, ea, eb) = n′
X
k=1
hJkeb, Xihea, En+ki − n′
X
k=1
hJkea, Xiheb, En+ki
+
n′
X
k=1
hJkea, ebihX, En+ki
=
n′
X
k=1
¡ Uaku
k bc−U
k bu
k ac+U
k cu
k ab
¢
ωc(X).
Considere a matriz de1-formas diferenciaisλ= (λa b)
n+n′
a,b=1definidas por
λa
b =L(·, ea, eb). (2.5)
Isto significa que
λa b =−
1 2 n′ X k=1 ¡ Uk
aukbc−Ubkukac+Uckukba
¢
ωc. (2.6)
Considere agora a matriz de2-formas diferenciaisQ= (Qa d)
n+n′
a,d=1, onde
Qad=−
¡
dλ+λ∧ω+ω∧λ−λ∧λ¢ad.
Observe, inicialmente, que
−2λab =
X
k
¡ Uaku
k bc−U
k bu
k ac−U
k cu
k ab
¢ ωc.
Assim
−2λa
b ∧ωdb =−
X
k
¡ Uk
aukbcωdb −Ubkωdbukac−Uckukabωdb
¢
∧ωc,
−2ωa b ∧λ
b d=−
X k ¡ Uk bω b au k dc−U
k dω
b au
k bc−U
k cω b au k bd ¢
∧ωc
e
−2λa
b ∧λbd=−
X
k
¡ Uk
aukbcλbd−Ubkλdbukac−Uckukabλbd
¢
∧ωc.
Finalmente, calculamos
−2dλad =−
X
k
¡ Uaku
k db−U
k du
k ab−U
k bu
k ad
¢
∧ωbc∧ω c
+X
k
¡
dUaku k dc−dU
k du
k ac−dU
k cu
k ad+U
k adu
k dc−U
k ddu
k ac−U
k cdu
k ad
¢
∧ωc
=−X
k ¡ Uk au k dbω b c−U
k du
k abω
b c−U
k bω b cu k ad ¢
∧ωc
+X
k
¡
dUk
aukdc−dUdkuack −dUckukad+Uakdukdc−Udkdukac−Uckdukad
¢
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 23 Portanto,
−2¡dλ+λ∧ω+ω∧λ−λ∧λ¢a d
=X
k
¡
dUk au
k dc−dU
k du
k ac−dU
k cu
k ad+U
k adu
k dc−U
k ddu
k ac−U
k cdu
k ad
−Uaku k dbω
b c+U
k du
k abω
b c+U
k bω b cu k ad
−Uaku k bcω
b d+U
k bω
b du
k ac+U
k cu k abω b d
−Ubkω b au
k dc+U
k dω
b au
k bc+U
k cω b au k bd
+Uaku k bcλ
b d−U
k bλ
b du
k ac−U
k cu k abλ b d ¢
∧ωc. Agrupando alguns termos, obtemos
−2¡dλ+λ∧ω+ω∧λ−λ∧λ¢ad
=¡(dUak−U k bω
b a)u
k
dc−(dU k d −U
k bω
b d)u
k
ac−(dU k c −U
k bω
b c)u
k ad
+Uak(du k dc−u
k dbω
b c−u
k bcω
b d)
−Udk(du k ac−u
k abω
b c−u
k bcω
b a)
−Uck(du k ad−u
k abω
b d−u
k bdω
b a)
+Uaku k bcλ
b d−U
k bλ
b du
k ac−U
k cu k abλ b d ¢
∧ωc (2.7)
Ademais, da definic¸˜ao do tensorJ, temos a equac¸˜ao
dUk a − X b Uk bω b a =−
1 2 X c uk caω c. (2.8)
A derivada covariante do tensorJk(X, Y) =hJkX, Yi´e dada, em termos do referencial
adaptado, por
¯
∇Jk(ea, eb) = dukab−u k dbω
d a−u
k adω
d
b =: ¯∇u k ab.
Usando as express ˜oes acima, conclu´ımos que
−2¡dλ+λ∧ω+ω∧λ−λ∧λ¢a d =X k ¡ −1 2u k eaukdc+
1 2u
k edukac+
1 2u
k ecukad
¢
ωe∧ωc
+¡Uak∇¯u k dc−U
k d∇¯u
k ac−U
k c∇¯u
k ad
¢
∧ωc
+¡Uaku k bcλ
b d−U
k bλ
b du
k ac−U
k cu k abλ b d ¢
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 24 Deste modo, obt´em-se
2Q(X, Y, ea, ed) =
X k ¡ − 1 2u k eau k dc+ 1 2u k edu k ac+ 1 2u k ecu k ad ¢
ωe(X)ωc(Y)
−X k ¡ − 1 2u k eau k dc+ 1 2u k edu k ac+ 1 2u k ecu k ad ¢
ωe(Y)ωc(X)
+X
k
¡ Uak∇¯u
k
dc(X)−U k d∇¯u
k
ac(X)−U k c∇¯u
k ad(X)
¢ ωc(Y)
−X
k
¡ Uk
a∇¯u k
dc(Y)−U k d∇¯u
k
ac(Y)−U k c∇¯u
k ad(Y)
¢ ωc(X)
+X
k
¡ Uk
aukbcλbd(X)−Ubkλbd(X)ukac−Uckukabλbd(X)
¢ ωc(Y)
−X
k
¡ Uaku
k bcλ
b
d(Y)−U k bλ
b d(Y)u
k ac−U
k cu
k abλ
b d(Y)
¢ ωc(X)
de onde decorre que
2Q(X, Y, ea, ed)
=¡− 1
2
X
k
hJkX, eaihJked, Yi+
1 2
X
k
hJkX, edihJkea, Yi+
1 2
X
k
hJkX, YihJkea, edi
¢
−¡−1
2
X
k
hJkY, eaihJked, Xi+
1 2
X
k
hJkY, edihJkea, Xi+
1 2
X
k
hJkY, XihJkea, edi
¢
+X
k
¡ Uk
a∇¯XJk(ed, Y)−Udk∇¯XJk(ea, Y)− hY, En+ki∇¯XJk(ea, ed)
¢
−X
k
¡
Uak∇¯YJk(ed, X)−Udk∇¯YJk(ea, X)− hX, En+ki∇¯YJk(ea, ed)
¢
+
n+n′
X b=1 n′ X k=1 ¡ Uk
ahJkeb, YiL(X, eb, ed)−UbkL(X, eb, ed)hJkea, Yi
−hY, En+kihJkea, ebiL(X, eb, ed)
¢
−
n+n′
X b=1 n′ X k=1 ¡ Uk
ahJkeb, XiL(Y, eb, ed)−UbkL(Y, eb, ed)hJkea, Xi
−hX, En+kihJkea, ebiL(Y, eb, ed)
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 25 Sendo assim, resulta que
2Q(X, Y, V, W)
=¡− 1
2
X
k
hJkX, VihJkW, Yi+
1 2
X
k
hJkX, WihJkV, Yi+
1 2
X
k
hJkX, YihJkV, Wi
¢
−¡−1
2
X
k
hJkY, VihJkW, Xi+
1 2
X
k
hJkY, WihJkV, Xi+
1 2
X
k
hJkY, XihJkV, Wi
¢
+X
k
¡
hV, En+ki∇¯XJk(W, Y)− hW, En+ki∇¯XJk(V, Y)− hY, En+ki∇¯XJk(V, W)
¢
−X
k
¡
hV, En+ki∇¯YJk(W, X)− hW, En+ki∇¯YJk(V, X)− hX, En+ki∇¯YJk(V, W)
¢
+X
b
X
k
¡
hV, En+kihJkeb, YiL(X, eb, W)−UbkL(X, eb, W)hJkV, Yi
−hY, En+kihJkV, ebiL(X, eb, W)
¢
−X
b
X
k
¡
hV, En+kihJkeb, XiL(Y, eb, W)−UbkL(Y, eb, W)hJkV, Xi
−hX, En+kihJkV, ebiL(Y, eb, W)
¢ .
Todavia, usando o fato de quehJkX, En+li= 0, observamos que
−2X
b
hV, En+kihJkeb, YiL(X, eb, W)
=X
b
hV, En+kihJkeb, Yi
X
l
¡
hJlW, Xiheb, En+li
−hJleb, XihW, En+li+hJleb, WihX, En+li
¢
=X
b
hV, En+kihJkY, ebi
X
l
¡
− hJlW, Xiheb, En+li − hJlX, ebihW, En+li
+hJlW, ebihX, En+li
¢
=−X
l
hV, En+kihJkY,
X
b
heb, En+liebihJlW, Xi
−X
l
hV, En+kihW, En+li
X
b
hJkY, ebihJlX, ebi
+X
l
hV, En+kihX, En+li
X
b
hJkY, ebihJlW, ebi
=−hV, En+ki
X
l
hJkY, En+lihJlW, Xi
−X
l
hV, En+kihW, En+lihJkY, JlXi+
X
l
hV, En+kihX, En+lihJkY, JlWi
=−hV, En+ki
X
l
¡
hW, En+lihJkY, JlXi − hX, En+lihJkY, JlWi
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 26 Analogamente, obtemos
−2X
b
hY, En+kihJkV, ebiL(X, eb, W)
=hY, En+ki
X
l
¡
hW, En+lihJkV, JlXi − hX, En+lihJkV, JlWi
¢ ,
−2X
b
hV, En+kihJkX, ebiL(Y, eb, W)
=hV, En+ki
X
l
¡
hW, En+lihJkX, JlYi − hY, En+lihJkX, JlWi
¢
e
−2X
b
hX, En+kihJkV, ebiL(Y, eb, W)
=hX, En+ki
X
l
¡
hW, En+lihJkV, JlYi − hY, En+lihJkV, JlWi
¢ .
Finalmente, calculamos
−2X
b
Uk
bL(X, eb, W)hJkV, Yi=
X
b
Uk b
X
l
¡
hJlW, Xiheb, En+li − hJleb, XihW, En+li
+hJleb, WihX, En+li
¢
hJkV, Yi
=X
l
¡
hJlW, Xi
X
b
heb, En+kiheb, En+li+hJlX, En+kihW, En+li
−hJlW, En+kihX, En+li
¢
hJkV, Yi
=hJkW, XihJkV, Yi
e, de modo an´alogo, obtemos
−2X
b
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 27 Utilizando essas express ˜oes, podemos escrever
2Q(X, Y, V, W)
=−1
2
X
k
hJkX, VihJkW, Yi+
1 2
X
k
hJkX, WihJkV, Yi+
1 2
X
k
hJkX, YihJkV, Wi
+1 2
X
k
hJkY, VihJkW, Xi −
1 2
X
k
hJkY, WihJkV, Xi −
1 2
X
k
hJkY, XihJkV, Wi
+X
k
¡
hV, En+ki∇¯XJk(W, Y)− hW, En+ki∇¯XJk(V, Y)− hY, En+ki∇¯XJk(V, W)
¢
−X
k
¡
hV, En+ki∇¯YJk(W, X)− hW, En+ki∇¯YJk(V, X)− hX, En+ki∇¯YJk(V, W)
¢
+1 2
X
k,l
¡
hV, En+kihW, En+lihJkY, JlXi − hV, En+kihX, En+lihJkY, JlWi
¢
+1 2
X
k
hJkW, XihJkV, Yi
+1 2
X
k,l
¡
hY, En+kihW, En+lihJkV, JlXi − hY, En+kihX, En+lihJkV, JlWi
¢
−1
2
X
k,l
¡
hV, En+kihW, En+lihJkX, JlYi − hZ, En+kihY, En+lihJkX, JlWi
¢
−1
2hJkW, YihJkV, Xi
−1
2
X
k,l
¡
hX, En+kihW, En+lihJkV, JlYi − hX, En+kihY, En+lihJkV, JlWi
¢ .
Note que
¯
∇VJk(X, Y) =h( ¯∇VJk)X, Yi, (2.9)
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 28 alguns termos na express˜ao anterior deQ, deduzimos que
2Q(X, Y, V, W) =hJkX, YihJkV, Wi+
1
2hJkY, VihJkW, Xi − 1
2hJkY, WihJkV, Xi
+X
k
¡
hV, En+kih( ¯∇XJk)W, Yi − hW, En+kih( ¯∇XJk)V, Yi − hY, En+kih( ¯∇XJk)V, Wi
¢
−X
k
¡
hV, En+kih( ¯∇YJk)W, Xi − hW, En+kih( ¯∇YJk)V, Xi − hX, En+kih( ¯∇YJk)V, Wi
¢
+1 2
X
k,l
¡
hV, En+kihW, En+lihJkY, JlXi − hV, En+kihX, En+lihJkY, JlWi
¢
+1 2
X
k,l
¡
hY, En+kihW, En+lihJkV, JlXi − hY, En+kihX, En+lihJkV, JlWi
¢
−1
2
X
k,l
¡
hV, En+kihW, En+lihJkX, JlYi − hV, En+kihY, En+lihJkX, JlWi
¢
−1
2
X
k,l
¡
hX, En+kihW, En+lihJkV, JlYi − hX, En+kihY, En+lihJkV, JlWi
¢ .
2.1.1
Defini¸c˜ao Alternativa do Tensor
L
A partir da escolha do referencial ortonormal local invariante `a esquerda em (2.1), definimos asconstantes de estruturaemN por
[Ek, El] = n+n′
X
r=1
σr
klEr. (2.10)
Se{θk}n+n′
k=1 denota o co-referencial dual a{Ek}n+n
′
k=1 , ent˜ao as formas de conex˜ao emN
s˜ao dadas por
θk l =
1 2
n+n′
X
r=1
τk lrθ
r,
(2.11) onde
τlrk =σ k rl+σ
l kr+σ
r
kl. (2.12)
De acordo com essa notac¸˜ao, as primeiras equac¸ ˜oes de estrutura s˜ao
dθk+θk l ∧θ
l = 0, θk l =−θ
l
k. (2.13)
A relac¸˜ao (1.4) pode ser reescrita como τklr =σ
r
lk, 1≤k, l≤n, 1≤r ≤n+n′. (2.14)
Da´ı, para1≤k, l ≤n, vale a relac¸˜ao σl
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 29 Em termos das constantes de estrutura temos, a partir de (1.8)-(1.10),
τr
kl = 2h∇¯ElEk, Eri=−σlrk, (2.15)
para1≤l, r≤nandn+ 1≤k ≤n+n′. A2-forma de curvaturaΘ = {Θk
l} n+n′
k,l=1deN, associada ao referencial{Ek}n+n
′
k=1 , ´e dada
por
dθkl + n+n′
X
r=1
θrk∧θ r l = Θ
k
l. (2.16)
Verifica-se facilmente que
Θk l =
1 4
n+n′
X
r,p,q=1
¡ τk
lrτ r st+τ
k rsτ
r lt
¢
θp∧θq.
(2.17)
Recordamos que as duas express ˜oes distintas paraJkobtidas acima est˜ao relacionadas
pela equac¸˜ao
ukab = n
X
l,r=1
AlaA r bσ
n+k
lr . (2.18)
Utilizamos a equac¸˜ao (2.18) para deduzir uma express˜ao alternativa paraλ, a ser usada posteriormente.
Proposi¸c˜ao 1. A1-formaλ= (λa b)
n+n′
a,b=1 definida em (2.5) satisfaz
λ =A−1θA,
ondeθ = (θk l)
n+n′
k,l=1.
Prova. Como calculado acima, as constantes de estrutura deN satisfazem, em termos do referencial ortonormal{Ek}n+n
′
k=1 , as equac¸ ˜oes
σrkl=
0, 1≤r≤n,
0, 1≤k ≤n, n+ 1≤l ≤n+n′,
0, n+ 1≤k, l≤n+n′. e
τk lr =
σk
rl, 1≤l, r ≤nek ≥n+ 1,
σr
kl, 1≤k, l ≤ner≥n+ 1,
σl
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 30 Assim, obtemos
λa
b = −
1 2
n+n′
X
c=1
n′
X
k=1
(Uk
aukbc−Ubkuack −Uckukab)ωc
= −1
2
n+n′
X c=1 n′ X k=1 n X l,r=1 Uk aA l bA r cσ
n+k lr ω
c+ 1
2
n+n′
X c=1 n′ X l=1 n X k,r=1 Ak aU l bA r cσ
n+l kr ω
c
+ 1
2
n+n′
X c=1 n′ X r=1 n X k,l=1 Ak
aAlbUcrσkln+rω c
= 1
2
n+n′
X
c=1
n+n′
X
k=n+1
n
X
l,r=1
AkaA l bA r cτ k lrω c +1 2
n+n′
X
c=1
n+n′
X
l=n+1
n
X
k,r=1
AkaA l bA r cτ k lrω c + 1 2
n+n′
X
c=1
n+n′
X
r=n+1
n X k,l=1 Ak aA l bA r cτ k lrω c = 1 2
n+n′
X
c,k,l,r=1
Ak
aAlbArcτlrkωc=
1 2
n+n′
X
k,l,r=1
Ak
aAlbτlrkθr = n+n′
X
k,l=1
Ak aAlbθlk
=
n+n′
X
k,l=1
(A−1)akθ k lA
l b
= (A−1θA)a b.
Isso encerra a prova da proposic¸˜ao. ¤
Observa¸c˜ao 1. Podemos ainda demonstrar que
−Q=A−1ΘA. (2.19)
Uma f´ormula an´aloga ´e provada posteriormente na Proposi¸c˜ao 4.
2.2
Existˆencia de um Referencial Adaptado
SejaMuma variedade Riemannianam-dimensional. Definimosm′porm+m′ =n+n′. Consideramos um fibrado vetorial real RiemannianoEsobreM com postom′e a soma de Whitney S = T M ⊕ E, de modo que S ´e um fibrado vetorial trivial. Podemos,
portanto, fixar um referencial ortonormal globalmente definido Eˆ1, . . . ,Eˆn+n′ em S.
Denotamos por h·,·io tensor m´etrico em S. Sejam ∇ˆ eRˆ a conex˜ao compat´ıvel com
a m´etrica e o tensor curvatura emS, respectivamente. Ent˜ao, definimos o tensor
hJˆkV, Wi=
X
l,r
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 31 ondeV, W s˜ao secc¸ ˜oes arbitr´arias deS. Em virtude da definic¸˜ao deJˆk, temos
hJˆkV,Eˆn+li= 0 (2.21)
posto queσnr,n++kl = 0. Definimos em termos deJˆkos tensoresLˆeQˆ emSpor
−2 ˆL(X, Y, V) =
n′
X
k=1
hJˆkV, XihY,Eˆn+ki − n′
X
k=1
hJˆkY, XihV,Eˆn+ki
+
n′
X
k=1
hJˆkY, VihX,Eˆn+ki (2.22)
e
2 ˆQ(X, Y, V, W)
=hJˆkX, YihJˆkV, Wi+
1
2hJˆkY, VihJˆkW, Xi − 1
2hJˆkY, WihJˆkV, Xi
+X
k
hV,Eˆn+kih( ˆ∇XJˆk)W, Yi −
X
k
hY,Eˆn+kih( ˆ∇XJˆk)V, Wi
−X
k
hV,Eˆn+kih( ˆ∇YJˆk)W, Xi+
X
k
hX,Eˆn+kih( ˆ∇YJˆk)V, Wi
−X
k
hW,Eˆn+kih( ˆ∇XJˆk)V, Yi+
X
k
hW,Eˆn+kih( ˆ∇YJˆk)V, Xi
+1 2
X
k,l
¡
hV,Eˆn+kihW,Eˆn+lihJˆkY,JˆlXi − hV,Eˆn+kihX, En+lihJˆkY,JˆlWi
¢
+1 2
X
k,l
¡
hY,Eˆn+kihW,Eˆn+lihJˆkV,JˆlXi − hY,Eˆn+kihX,Eˆn+lihJˆkV,JˆlWi
¢
−1
2
X
k,l
¡
hV,Eˆn+kihW,Eˆn+lihJˆkX,JˆlYi − hV,Eˆn+kihY,Eˆn+lihJˆkX,JˆlWi
¢
−1
2
X
k,l
¡
hX,Eˆn+kihW,Eˆn+lihJˆkV,JˆlYi − hX,Eˆn+kihY,Eˆn+lihJˆkV,JˆlWi
¢ .(2.23)
ondeX, Y ∈Γ(T M)eV, W ∈Γ(S).
Supomos, ent˜ao, que
hRˆ(X, Y)V, Wi= ˆQ(X, Y, V, W), X, Y ∈Γ(T M), V, W ∈Γ(S). (2.24)
Al´em disso, supomos que a condic¸˜ao
ˆ
∇XEˆn+k=−
1
2JˆkX, X ∈Γ(T M), k= 1, . . . , n
′ (2.25)
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 32 A conex˜ao emSinduz conex ˜oes∇emM e∇E
emE. Mais precisamente,
definindo-seII ∈Γ(T∗M ⊗T∗M ⊗E)por
ˆ
∇XY =∇XY +II(X, Y), X, Y ∈Γ(T M)
e denotando-se
hSV(X), Yi=hII(X, Y), Vi, V ∈Γ(E),
obtemos
ˆ
∇XV =−SVX+∇
E
XV.
Em termos da decomposic¸˜aoEˆn+k =Tk+Nk,Tk ∈Γ(T M),Nk ∈Γ(E), a condic¸˜ao (2.25)
´e expressa por
∇XTk−Sk(X) +∇
E
XNk+II(Tk, X) =−
1
2Jˆk(X), X ∈Γ(T M), (2.26)
ondeSk=SNk.
Defini¸c˜ao 1. Dado um aberto simplesmente conexo M′ ⊂ M, fixamos uma aplica¸c˜ao U ∈ C∞(M′,Rn′(n+n′)
). Um referencial ortonormale:M′ →F(S)com componentes e1, . . . , em, em+1, . . . , em+m′
´eadmiss´ıvelse as primeirasmsec¸c˜oes s˜ao campos vetoriais emM e as ´ultimasm′ s˜ao sec¸c˜oes emEe, ainda, se satisfizer
hEˆn+k, eai=Uak, 1≤k≤n
′.
Em particular, isso implica que
hTk, eii=hEˆn+k, eii=Uik (2.27)
parai= 1, . . . , me
hNk, eαi=hEˆn+k, eαi=Uαk, (2.28)
paraα =m+ 1, . . . , m+m′. A aplica¸c˜ao de transi¸c˜ao de um referencial ortonormalEˆ
k para
um referencial ortonormal admiss´ıvelea ´e dada por umaaplicac¸˜ao admiss´ıvel, isto ´e, se
ea = ˆEkAka,
ent˜aoA´e da forma
A(x) =
∗
U(x)
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 33 Denotamos por
ω1, . . . , ωm, ωm+1, . . . , ωm+m′
(2.30) as 1-formas reais sobre S duais ao referencial {ea}n+n′
a=1 . A conex˜ao riemanniana ∇ˆ
´e dada, em termos deste referencial, pela matriz ω = (ωa b)
n+n′
a,b=1. Assim, a primeira
equac¸˜ao de estrutura ´e escrita como
dωa+ωba∧ω b
= 0, ωba=−ω b
a. (2.31)
A express˜ao local paraJˆkem termos de um referencial ortonormal admiss´ıvel ´e
hJˆkeb, eai=ukba. (2.32)
Ent˜ao, considerandoJkcomo um tensor do tipo(0,2)dado por
ˆ
Jk(ea, eb) :=hJˆkea, ebi, (2.33)
podemos escrever
ˆ
Jk =
X
a,b
ukabω a
⊗ωb. (2.34)
Assim, a equac¸˜ao (2.25) ´e reescrita como X
k
¡
dUak−
X
c
Uckω c a
¢
=−1
2
X
k
ukbaω b
. (2.35)
As derivadas covariantes do campo tensorialJˆks˜ao dadas por
ˆ
∇Jˆk(ea, eb) = dukab−u k dbω
d a−u
k adω
d
b =: ˆ∇u k ab.
A express˜ao local paraLˆ ´e dada, em termos de1-formas, por
ˆ
λa
b = ˆL(·, ea, eb). (2.36)
Assim, do mesmo modo como foi calculado na Sec¸˜ao 2.1, obtemos a identidade
ˆ
λab =−
1 2
n′
X
k=1
¡ Uaku
k bc−U
k bu
k ac+U
k cu
k ba
¢
ωc. (2.37)
A express˜ao local paraQˆ ´e dada pela2-forma
ˆ
Qd
Cap´ıtulo 2. Imers ˜oes Isom´etricas em Grupos de Lie Nilpotentes 34 Podemos verificar que
ˆ
Qa
d := ˆQ(·, ·, ea, ed) =−
¡
dˆλ+ ˆλ∧ω+ω∧λˆ−λˆ∧λˆ¢a
d. (2.38)
Com efeito, a verificac¸˜ao de (2.38) ´e an´aloga `aquela feita na Sec¸˜ao 2.1, dessa vez uti-lizando a express˜ao (2.21).
Observemos agora que a hip ´otese (2.24) ´e refraseada, em termos dessas formas, como
dω+ω∧ω =−( ˆQda). (2.39)
Podemos provar o seguinte resultado.
Proposi¸c˜ao 2. Suponhamos que os dados definidos acima satisfa¸cam (2.24) e (2.25). SejaM′ ⊂ M um subconjunto aberto e simplesmente conexo. Ent˜ao, existe uma aplica¸c˜ao admiss´ıvel A∈C∞(M′,SO
n+n′)tal que
A−1dA =ω−ˆλ (2.40)
com a condi¸c˜ao inicialA(x0) = Id, parax0 ∈M′ dado.
Prova. ´E suficiente mostrar que as hip´oteses em considerac¸˜ao implicam nas hip´oteses da Proposic¸˜ao 5 do Apˆendice 2.4. Isso assegura a existˆencia de uma aplicac¸˜ao ad-miss´ıvel tal que
A−1dA= ˆω, (2.41)
onde estamos considerando
ˆ
ω=ω−ˆλ. (2.42)
Denotando
Υ = ˆω−A−1dA, (2.43)
calculamos
−dΥ = −A−1dA∧A−1dA−dˆω
= −¡Υ−ωˆ)∧¡Υ−ωˆ)−dˆω
= −Υ∧Υ + Υ∧ωˆ+ ˆω∧Υ−dˆω−ωˆ∧ω.ˆ
Assim, em vista da express˜aoωˆ =ω−λ, obtemos a seguinte equac¸˜ao m ´oduloˆ Υ dΥ = dˆω+ ˆω∧ωˆ