曲面上初始曲率无下界情形Ricci flow的存在性、唯一性

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1982年,Richard Hamilton在论文[H1]中引入了Ricci flow方程(δ)gij/(δ)t=-2Rij(g)(1)开创了Ricci flow理论的研究。Ricci flow作为一门分析工具,在几何和物理等领域的研究中起了重要应用,如证明三维Poincare猜想、研究天体物理学中的黑洞理论等。同时,其作为一个抛物型偏微分方程,研究在各种条件下解的存在性、唯一性,也是有极大意义的。所以,自从1982年Hamilton在[H1]中证明了闭流形上Ricci flow的短时间存在性、唯一性之后,对Ricci flow解的存在性、唯一性研究直到现在都是数学家们关注的热点。   Hamilton在[H1]中证明了如下定理   定理0.0.1.   如果Mn是一个闭的黎曼流形,且g0是一个光滑的黎曼度量,则存在唯一的Ricci flow g(t),t∈[0,δ),δ>0,且g(0)=g0.   Hamilton克服了方程(1.1)的不严格抛物性得到了该定理,但其证明非常繁琐。后来,经DeTurck改进,用Ricci-DeTurck flow的方法将证明大大简化,此方法后来也成为了研究Ricci flow的标准方法。参见[DT]。   1989年,华人数学家Wanxiong Shi用DeTurck flow的方法,将Hamilton的工作推广到非紧流形,证明了非紧流形上Ricci flow的短时间存在性定理:   定理0.0.2.   ([SI])设(Mn,g0)是一个完备非紧的光滑黎曼流形,且黎曼曲率张量Rm的有界,则存在一个完备Ricci flow g(t),t∈[0,T),使得g(0)=g0,且有supM×[0,T)|Rm|=∞或者T=∞。   完备非紧流形上解的唯一性问题,近年来一直是深受数学家们关注的问题。在[LT]中,Peng Lu和Gang Tian用DeTurck技巧,证明了Ricci flow在Rn,n≥3情况下关于原点旋转对称的Ricci flow的唯一性。后来,Hsu在[Hs]中拓展了Lu-Tian的结果,证明了与标准Ricci flow相关的Ricci harmonic flow的旋转对称解的唯一性。   但更一般性的结果,是2006年陈兵龙和朱熹平在[CZ]中证明的:   定理0.0.3.   ([CZ])设(M,g)是一个完备非紧的光滑黎曼流形,Rm(g)有界。假设存在两个Ricci flow g1(t)和g2(t),t∈[0,T],且g1(0)=g2(0)=g。如果Rm(g1(t))和Rm(g2(t))在t∈[0,T]都有界,则g1(t)=g2(t)。   由于Ricci flow理论在数学、物理等领域有重要应用,我们有必要研究初始条件进一步弱化时Ricci flow的存在性、唯一性。2007年,美国数学家PeterTopping在[T1]中首次尝试给出曲面上初始曲率无界情形Ricci flow的存在性结果。   定理A设M是一个带有光滑黎曼度量(-g)的二维开曲面,高斯曲率K((-g))有上界(-K)。存在仅依赖于(-K)的T>0,使得在M上存在一个光滑Ricci flowg(t),g(0)=(-g),t∈[0,T],且对任意t0>0,K(g(t))在[t0,T]上有界。   我们主要研究二维情形初始Gauss曲率仅有上界是Ricci flow的存在性和唯一性问题。由于Topping关于定理A的证明并不完整,我们利用Pseudolocality定理和极大值原理在本文第四章给出一个完备证明。   在此基础上,我们利用Ricci flow在二维时保持初始度量共形类的特点,用线性化的方法证明了解在一定条件假设下的唯一性。(参见[CY],[T1])具体定理如下:   定理B设(M,g(0))是一个二维非紧完备流形,其高斯曲率K(0)仅有上界(-K),(-K)≤0.如果g1(t)与g2(t)在M×[0,T]上均是Ricci flow,且有相同初始度量g(0),0<T<(-K)-1/2,并满足   1.-1/2t≤Ki(x,t)≤1/(-K)-1-2t,i=1,2,   2.Ki(x,t)≥-Cρ20(p,x),对某个正常数C,ρ0(p,x)代表点x到一固定点p之间相对度量g(0)的距离,i=1,2,则g1(x,t)=g2(x,t),(A)(x,t)∈M×[0,T]。   以及   定理C设(M,g(0))是一个二维完备非紧流形,高斯曲率K(0)仅有上界(-K),(-K)>0.如果g1(t)和g2(t)在M×[0,T]都是Ricci flow,有相同初始度量g(0),0<T<(-K)-1/2,且满足   1.-1/2t≤Ki(x,t)≤1/K-1-2t=1,i=1,2,   2.Ki(x,t)≥-Clog(1+ρ20(p,x)),(A)0<C<1/4T,i=1,2,则g1(x,t)=g2(x,t),(A)(x,t)∈M×[0,T]。   (-K)当(-K)>0时,我们还有以下定理:   定理D设(M,g(0))为一个二维完备非紧流形,高斯曲率K(0)仅有上界(-K),(-K)>0。若g1(t)和g2(t)在M×[0,T]均是Ricci flow,且有相同初始度量g(0),0<T<(-K)/2,并同时满足   1.-1/2t≤Ki(x,t)≤1/K-1-2t,i=1,2,   2.Ki(x,t)≥-Cρ20(p,x),i=1,2,   3.存在某紧区域∑和一个很小的时间区间[0,t0](∪)[0,T]使得Ki(x,t)对(x,t)∈(M∑)×[0,t0]非正,i=1,2,   那么g1(x,t)=g2(x,t),(A)(x,t)∈ M×[0,T]。   这些唯一性定理,我们将在本文第五章给出叙述和证明。
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