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中心アファイン曲面に対する3次形式の平行性と再帰性
藤岡敦
Contents
Introduction
Affinehypersurfaces
Blaschkehypersurfaces
Centroaffinehypersurfaces
Centroaffinesurfaces
中心アファイン曲面に対する3次形式の平行性と再帰性
藤岡敦
関西大学システム理工学部数学科
2016年11月4日(金)福岡大学, 2016年度福岡大学微分幾何研究集会
(濱本久二雄氏 (関西大学), 中井康允氏 (西宮北高等学校) との共同研究)
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藤岡敦
Contents
Introduction
Affinehypersurfaces
Blaschkehypersurfaces
Centroaffinehypersurfaces
Centroaffinesurfaces
Contents
1 Introduction
2 Affine hypersurfaces
3 Blaschke hypersurfaces
4 Centroaffine hypersurfaces
5 Centroaffine surfaces
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Introduction
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Backgrounds
Cubic form: A fundamental invariant for affine hypersurfaces
Equiaffine differential geometry• Maschke-Pick-Berwald’s Theorem:
A Blaschke hypersurface with vanishing cubic form is apiece of a quadric.
• 1989 Nomizu-Pinkall:If the cubic form of a Blaschke surface does not vanish andis parallel relative to the induced connection, the surface is
a piece of a Cayley surface: z = xy − 1
3x3.
· A graph of a cubic polynomial· A ruled surface· Equiaffinely homogeneous· An improper affine sphere
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Blaschkehypersurfaces
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Centroaffinesurfaces
Problem
Problem
Characterize fundamental centroaffine surfaces by the cubicform.
Examples of fundamental centroaffine surfaces• Quadrics• A ruled surface given by
f (x , y) = A′(x) + yA(x)
A is an R3-valued function s.t. det
AA′
A′′
= 0.
· The curvature of the centroaffine metric is 1.· The Pick function vanishes.· Centroaffine minimal· Projective minimal
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Euclidean differential geometry and affinedifferential geometry
Consider hypersurfaces in the Euclidean space.• Euclidean differential geometry· ∃a unit normal vector field· Study properties invariant under the Euclideantransformation.
• Affine differential geometry· Choose a transversal vector field. Equiaffine differential geometry· Take a Blaschke normal vector field.· Study properties invariant under the equiaffinetransformation.
Centroaffine differential geometry· Take a radial vector field.· Study properties invariant under the affinetransformation fixing the origin.
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Gauss-Weingarten formulaEuclidean differential geometry
f : Mn → Rn+1: a hypersurfaceD: the standard flat connection on Rn+1
X ,Y ∈ X(M) Euclidean differential geometryn: a unit normal vector field=⇒ Gauss-Weingarten formula:
DX f∗Y = f∗∇XY + h(X ,Y )n (Gauss)
DXn = −f∗SX (Weingarten)
∇: the Levi-Civita connectionh: the second fundamental formS : the shape operator
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Gauss-Weingarten formulaAffine differential geometry
f : Mn → Rn+1: a hypersurfaceD: the standard flat connection on Rn+1
X ,Y ∈ X(M) Affine differential geometryξ: a transversal vector field=⇒ Gauss-Weingarten formula:
DX f∗Y = f∗∇XY + h(X ,Y )ξ (Gauss)
DX ξ = −f∗SX + τ(X )ξ (Weingarten)
f is called an affine hypersurface.∇: the induced connectionh: the affine fundamental form
Considered as a metric.S : the affine shape operatorτ : the transversal connection form
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Nondegenerate, definite or indefinite affinehypersurfaces
Definition
f : Mn → Rn+1: an affine hypersurfaceh: the affine fundamental form
f : nondegenerate (resp. definite, indefinite) def.
h: nondegenerate (resp. definite, indefinite)
Proposition
The above definition is independent of the choice of thetransversal vector field ξ.
Proof
ξ := φξ + f∗Z (φ : M → R \ 0, Z ∈ X(M)) =⇒ φh = h
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Cubic form
f : Mn → Rn+1: an affine hypersurface∇: the induced connectionh: the affine fundamental formτ : the transversal connection formX ,Y ,Z ∈ X(M)
Codazzi equation
(∇Xh)(Y ,Z ) + τ(X )h(Y ,Z ) = (∇Y h)(X ,Z ) + τ(Y )h(X ,Z )
The cubic form:
C (X ,Y ,Z ) := (∇Xh)(Y ,Z ) + τ(X )h(Y ,Z )
Defines a symmetric (0, 3)-tensor.
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Definition of Blaschke hypersurfaces
f : Mn → Rn+1: a nondegenerate affine hypersurfaceθ: the volume form induced by the immersion f
θ(X1, . . . ,Xn) := ω(f∗X1, . . . , f∗Xn, ξ) (X1, . . . ,Xn ∈ X(M))
ω: a parallel volume form with respect to the flat connection D
ωh: the volume form with respect to the affine fundamentalform hX1, . . . ,Xn ∈ X(M) s.t. θ(X1, . . . ,Xn) = 1
ωh(X1, . . . ,Xn) := |det(h(Xi ,Xj))|12
Proposition
∃ξ (unique up to the sign) s.t. τ = 0 & θ = ωh
The above ξ is called a Blaschke normal vector field.f is called a Blaschke hypersurface.h is called a Blaschke metric.
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Characterizations by the cubic form
f : Mn → Rn+1: a Blaschke hypersurfaceC : the cubic form
Maschke-Pick-Berwald’s theorem
C = 0 =⇒ f : a piece of a quadric
∇: the induced connection
Theorem (Nomizu-Pinkall 1989)
n = 2, ∇C = 0, C = 0 =⇒ f : a piece of a Cayley surface
1988 Vrancken: n = 3, ∇C = 0, C = 0
∇: the Levi-Civita connection for the affine fundamental form h1989 Magid-Nomizu: n = 2, ∇C = 0, C = 0
• Example: a Cayley surface
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Definition of centroaffine hypersurfaces
Definition
f : Mn → Rn+1: a hypersurfacef : a centroaffine hypersurface
def.The radial vector intersects with the tangent
space transversally at any point.
ξ := −n+1∑i=1
xi∂
∂xi
Weingarten formula:DX ξ = −f∗X
S = the identity, τ = 0
The affine fundamental form h is called a centroaffine metric.12 / 22
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Fundamental facts
Consider nondegenerate centroaffine hypersurfaces.f : Mn → Rn+1: a centroaffine hypersurfaceC : the cubic form
Proposition
C = 0 =⇒ f : a piece of a quadric centered at the origin
Remark
In general, a nondegenerate affine hypersurface with τ = 0 &C = 0 is a piece of a quadric.
∇: the induced connection∇: the Levi-Civita connection for the centroaffine metric h1991 Li-Wang: ∇C = 0 & flat2015 Hildebrand: ∇C = 0 (∇C = 0)
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Tchebychev form
f : Mn → Rn+1: a centroaffine hypersurfaceh: the centroaffine metricC : the cubic formX ∈ X(M)Define a (1, 1)-tensor AX by
C (X ,Y ,Z ) = h(AX (Y ),Z ) (∀Y ,Z ∈ X(M)).
Define a 1-form trhC by
(trhC )(X ) = trAX .
T :=1
ntrhC is called a Tchebychev form.
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Traceless part of the cubic form
f : Mn → Rn+1: a centroaffine hypersurfaceh: the centroaffine metricC : the cubic formT : the Tchebychev formX ,Y ,Z ∈ X(M)
C (X ,Y ,Z ) := C (X ,Y ,Z )− n
n + 2(T (X )h(Y ,Z )
+ T (Y )h(Z ,X ) + T (Z )h(X ,Y ))
(traceless part of C )
Remark
C coincides with the cubic form as a Blaschke hypersurface.
∇: the Levi-Civita connection for h1997 Liu-Wang: n = 2, ∇C = 0
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Definiteness and the Euclidean Gaussian curvature
Proposition
f : M2 → R3: a centroaffine surfacef : definite (resp. indefinite)
the Euclidean Gaussian curvature: positive (resp. negative)
Proof
(x1, x2): local coordinatesGauss formula:
fxixj = Γ1ij fx1 + Γ2ij fx2 − h(∂xi , ∂xj )f (i = 1, 2)
Take the inner product with the unit normal vector field.
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Notations
Consider the indefinite case.f : M2 → R3: a centroaffine surfaceK : the Euclidean Gaussian curvature < 0(u, v): asymptotic line coordinatesφ := h(∂u, ∂v )d : the signed distance from the origin to the tangent plane
ρ := −1
4log
(− K
d4
)
a := φ det
ffufuu
/det
ffufv
b := φ det
ffvfvv
/det
ffvfu
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Gauss formula in asymptotic line coordinates
Gauss formula fuu =
(φu
φ+ ρu
)fu +
a
φfv
fuv = −φf + ρv fu + ρufv
fvv =
(φv
φ+ ρv
)fv +
b
φfu
Proposition
The integrability conditions for the above Gauss formula are(logφ)uv = −φ− ab
φ2+ ρuρv
av + ρuφu = ρuuφ
bu + ρvφv = ρvvφ
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Covariant derivative of the cubic form
Lemma
f : M2 → R3: an indefinite centroaffine surface∇: the induced connectionC : the cubic form
∇C = 0 ⇐⇒ All the functions below vanish.
−au +3aφu
φ+ 6aρu, −av + 3aρv + 3ρ2uφ,
−bv +3bφv
φ+ 6bρv , −bu + 3bρu + 3ρ2vφ,
3aρv + ρuφu − ρuuφ+ 3ρ2uφ, 3bρu + ρvφv − ρvvφ+ 3ρ2vφ,
ab
φ+ 5ρuρvφ− ρuvφ
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Main results
f : M2 → R3: a centroaffine surface∇: the induced connectionC : the cubic form
Theorem 1 (F.-Hamamoto-Nakai)
∇C = 0 =⇒ f : a piece of a quadric centered at the origin(an ellipsoid or a hyperboloid)
Proof
If f is indefinite, show that C = 0 by use of the integrabilityconditions and the above Lemma.Then f is a piece of a hyperboloid of one sheet centered at theorigin.If f is definite, similar argument as above shows that f is apiece of an ellipsoid or a hyperboloid of two sheets.
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Main results (continued)
f : M2 → R3: a centroaffine surface∇: the induced connectionC : the traceless part of the cubic form
Theorem 2 (F.-Hamamoto-Nakai)
C : recurrent relative to ∇:
C = 0 & ∃σ ∈ Ω1(M) s.t. ∇C = σ ⊗ C
=⇒ f : a piece of a ruled surface given by
f (x , y) = A′(x) + yA(x)
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