香港二樓書店 > 大域微分幾何（下）：幾何變分學（二版）

前言

　　下卷的主題是幾何變分學。含三篇

　　篇七　均曲率幾何的基礎

　　篇八　Plateau與Berstein問題

　　篇九　均曲率方程

　　共九章，即Ch.22-30。

　　如前所述，微分幾何處理的主要對象是彎曲的空間。上卷已經建立了彎曲空間的基本概念，例如向量場的共變微分與曲率張量，並藉由彎曲空間中測地線的變分，來探測彎曲空間大域的幾何性質，例如對正、負曲率空間，分別有Bonnet-Myers定理、與Hadamard定理。

　　1. 幾何變分學的鋪陳

　　二十世紀中期之後，幾何分析（Geometric Analysis）成為幾何學研究的主流。

　　它涵蓋甚廣，活潑、複雜而深刻。幾何變分學只是其中的一支。我們選幾何變分學作為下卷的主題，主要因為它的提問，自然而有趣。同時它與幾何分析的基礎概念相通。像Hopf最大原理（maximum principle）、比較原理（comparison principle）、流形上的變分、最小曲面及常均曲率曲面的穩定性、stability operator的特徵值、絕對最小與calibration、Sobolev函數、值譜定理、…等，都是幾何分析必要的基礎概念。這些全放進了書的下卷。

　　幾何變分學中很多經典的idea與貢獻，則為下卷探討的主題，例如：Laplace的毛細估計、Plateau問題、Bernstein問題、迷人的Hopf猜想、與凸性問題等。

　　在下卷的開始，即篇七Ch.22、Ch.23兩章，我們談均曲率的一些基礎概念，但同時鋪陳一些自然的問題。例如Ch.22中，談曲面積的絕對最小、引入calibration、作出?4中的Plateau解；又從二階變分的計算，證明了Barbosa-do Carmo有趣的定理：?n+1中的封閉區面Mn，若均曲率為常數（簡稱cmc = constant mean curvature），而且為穩定（stable），則Mn必為球面。這個所謂stable sphere theorem，其實是1950-1980年間許多幾何學家在思考Hopf猜想（Hopfs conjecture）時，分出去的一條軌跡。

　　Ch.23也一樣，在探討最小曲面的穩定性這條自然的脈絡中，我們介紹了Jacobi場，Sobolev空間，並證明一般的值譜定理（spectrum theorem）。然後我們以特徵值的估計，證明了鼓面愈大，聲音愈低沉；而且在鼓面面積相同的情況下，證明：鼓面愈對稱，聲音愈低沉。同時，我們把這些有趣的古典分析，與現今的問題相連結。

　　2. Plateau與Bernstein問題

　　Plateau問題與Bernstein問題的交會，是1960-70年代幾何界的大事。下卷篇八，三章（Ch.24-26）集中在訴說這個故事。著名的Plateau問題是古典問題，1930年代Jesse Douglas有突破性的進展，他用「三定點手法」成功的控制面積泛函的minimizing sequence，使其極限成為Plateau solution。我們用Ch.24一整章，完整的敘述他原創性的證明。然後我們進入1960年代之後最小曲面的極盛時期，細說那時期幾何學界蓬勃綻放的美麗花朵。

　　Plateau問題的起源，是在答覆這樣的問題：給定?3中的一條封閉曲線，有沒有以這曲線為邊界，而面積為絕對最小的曲面（稱為Plateau解）？又如果有解，解曲面有否奇點？Bernstein問題則為：在?2上全定義的minimal graph（即表成u=u(x), x ??2），是否必為平面？Bernstein定理就某種意義來說，可以說是一種非線性的Liouville定理。

　　有趣的是，Plateau解曲面有沒有奇點，與Bernstein定理對不對，是同一件事。[Ch.25]。如果我們躲進Plateau solution那奇點的無限小鄰域，去看Plateau的解曲面，我們會看到一個cone（錐面）。相應的，如果我們跑到無限遠處，回頭看Bernstein解曲面，也會看到一個cone。

　　於是問題轉化成：「在?N空間中，除超平面之外，是不是存在minimal cone？」的問題。亦即：是不是有這樣一個面積為絕對最小的錐面（稱之為minimal cone），它不是?N-1？若有，則Plateau solution有奇點，Bernstein定理也跟著不對。若沒有，則Plateau solution為regular（沒有奇點），Bernstein定理正確。

　　這是兩個問題美麗的交會。

　　3. 意大利學派

　　藉Ch.25，我們先介紹Bernstein問題的古典背景，亦即在最簡單的?2上考慮minimal graph，並用Chern的觀點，把最小曲面的metric改造[見Ch.25(12)式]，將問題歸結為Liouville定理。隨後我們進入1960年代最小曲面論的highlight：James Simons對兩問題交會所做的貢獻；然後用活動標架法估計第二基本式，而得到維數不大於6，不會有平面之外的minimal cone。藉Ch.26，我們進入意大利學派Bombieri與de Giorgi的世界，引入BV函數（functions of bounded variation），延伸Bernstein定理到7維，建構?8中非平面的minimal cone S3(1/√2) x S3(1/√2)＄，並給出8維以上著名而深刻的反例。另外，1970年代Schoen-Simon-Yau直接估算第二基本式，一方面標誌活動標架法的威力，另一方面開啟幾何分析的研究，把幾何與分析做緊密而漂亮的結合，這工作也放在Ch.26，作為篇八的結束。

　　4. 毛細液面

　　篇九從Young-Laplace-Gauss對毛細液面的貢獻談起。1805年Thomas Young導出：液面的內外壓力差為均曲率（mean curvature）的常數倍[Ch.27(01)式]。同時，Laplace觀察到：液面的均曲率，與液柱的高度成正比[Ch.27(4)式]。他們的工作開啟了毛細液面與均曲率的研究。我們知道在無重力的狀態下，毛細液面的均曲率必為常數，亦即必為cmc（常均曲率曲面）。

　　對於Young-Laplace方程[Ch.27，(04)及(05)兩式]，Gauss用虛功原理（virtual work）加以證明，打開變分學的一頁。在Ch.27，我們用現代語言重新詮釋這些，並建立普遍的理論架構，據此深入毛細液面（包含cmc）及相關曲面的探討。

　　毛細現象有很多有趣的問題，例如一棵樹為什麼可以把土壤裡的水分吸到樹頂？根據早先Laplace的計算，以現有導管的粗細，毛細現象最高只能把水分吸到＄10＄英尺[Ch.27(31)式]。但很多樹都遠高於10英尺。植物學者認為原因是：葉面水分蒸發具有真空吸力的效果。可是很多溫帶的大樹，冬天葉子都掉光，地裡的水分如何被吸到樹頂？使的樹木存活？Robert Finn給出了答案：因為樹幹中導管的橫截面，實際上不是圓形（如Laplace所假設），而是偏向六角形。秘密就在那些角，當角夠小時，毛細液面會以1?r的速率爬升。

　　這樣的例子揭示我們必須正視毛細液面的複雜性。接連很多問題都與毛細液面的幾何有關。

　　當重力越小，管壁對液面分子的吸附力（或排斥力）的影響越大，液面越變化多端。尤其當重力越小時，液面的幾何越豐富。例如有趣的凸性問題，見Finn-Korevaar [Ch.27，定理4]與Chen-Huang [Ch.27，定理5、6}]。

　　又例如一個封閉的容器，裡面除了留有一些空隙之外，幾乎注滿水，把容器拿到太空中，這時空隙會變成什麼樣子？是不是一個球狀？答案是對的（當然也可能是n個球狀）。理由是：這時空隙的邊界是常均曲率的液面。Alexandrov在1956年證明任何一個安裝（embedded，或譯為鑲映）於?n+1中的n維封閉曲面Mn，若均曲率定常（即cmc），則必為球狀[Ch.28，定理2]。

　　但embedding這個拓樸條件是否必要？例如：假定（cmc的）Mn不限定embed（鑲映），而只知immersed（浸映）於?n+1中呢？這就是著名的Hopf猜想（conjecture）。Hopf自己證明了：M2若與球面S2同胚，則浸映的cmc M2只能是標準球面。然後是一些有趣的努力：例如前述Barbosa-do Carmo [Ch.21]的穩定球定理，與項武義（Wu-Yi Hsiang）四維空間?4中的反例。1983年，Wente終於證明了Hopf猜想不對：在?3中存在很多cmc環面的反例。

　　篇九前兩章[Ch.27-28]，把Hopfs differential與Alexandrov的對稱化方法分別做了介紹，並得出他們的定理。在衍篇中，我們附上王藹農簡介Wente環面的幾何。

　　5. cmc的幾何

　　篇九的後兩章（Ch.29-30），與本書作者的工作有關，例如：凸性問題、大凹陷定理與Jacobi場的分佈。

　　1950-1983年間，幾何學家會支持Hopf猜想，其直覺的理由是：cmc封閉曲面＄M＄似乎不能有凹陷（指Gauss曲率為負的地方）。如果這個直覺是對的，那麼由Hadamard定理，M必然圍出一個convex body，亦即M鑲映於?3中，因此根據Alexandrov定理，M必為球形。

　　Wente的眾多反例，告訴我們上述的直覺是錯的：M確實有凹陷。Huang-Lin（我與林俊吉）的大凹陷定理，在釐清上述直覺成立的範圍。它說，如果範圍不大，cmc封閉曲面確實不能有凹陷。換句話說，它若有凹陷，凹陷的範圍必須很大，至少包含一個extremal domain。

　　任何一個domain都可以一直拓廣到成為extremal [即λ1(M)=0，見Ch.29，§2]，extremal domain是相當大的面域，例如M中的一塊面域，若為non-parametric（即可以表成u=u(x), x ??2時），它都比extremal domain小。可見cmc曲面凹陷的範圍很大。大凹陷定理的證明，也支持早先我對凸性問題的主張：1970-80年代Brascamp-Lieb、Caffarelli-Friedman、Finn、Korevaar、Chen-Huang、Shih等人處理的凸性問題，關鍵在於：問題是不是well-posed？

　　亦即，當我們期望在凸區域（convex domain）上的任何一個橢圓方程解，本身也是convex時，邊界條件不能加在零階（Dirichlet），或一階（capillary或Neumann），而應加在二階[Ch.29，§1]。

　　另外，在cmc曲面上的一個domain D(t)隨著時間t，從一個點鄰近的小小範圍連續加大，記成{D(t), 0?t
　

　　在篇九Ch.30，亦即，在本書的最後一章，我們把這問題與Morse index定理連結起來，一如在測地線的情況一樣（最簡單的一維測地線，現在變成二維以上的cmc曲面）。本章的主要結果是：介於＄D[λk-1=0]與＄D[λk=0]之間，必有非零的Jacobi場出現過，而且其重數（multiplicity）可以控制。[Ch.30}，Thm.8]。

　　這問題遠比測地線上的Jacobi場的分佈複雜，因場域不再是一維的測地線，而是高維的曲面，況且是有體積制限（volume constraint）的cmc曲面。勻滑的C∞-手法，不適合應付這問題。我們必須把C∞-架構提升為Sovolev架構。Ch.23曾經考慮Sobolev函數空間，據此證明值譜分析定理。現在我們必須縝密的經營Sobolev的理論，看到它生動而成功的解決C∞-架構中自然的提問，才知Sobolev理論的精緻。為了這項工作，我又耗掉一年多的時間研究並寫完第30章。

　　6. 衍篇

　　2015年開始寫篇九時，我邀請王慕道、王藹農、林俊吉三位同行，各寫一篇survey之類的文章，放在書末，稱為衍篇。目的在讓讀者在讀完本書之後，看到幾何研究正在發展的一些新方向。

　　不久我接到三篇完稿。很高興他們的論點與本書準備的基礎知識，不只搭配得很好，更有畫龍點睛之妙。我畫龍，他們點睛。

　　例如：書中各章反覆利用第二變分式，處理許多問題。王慕道在〈從一個方程式談起〉一文中，選擇第二變分式，並點出這式子的神髓：把它與Perelman的工作、與Schoen-Yau的正質量定理，關連起來。另外，他又說明第二變分式在相對論中所扮演的角色，指出它如何鋪陳Penrose-Hawking的奇點定理。王慕道的短文，帶領讀者看到自然深層，看到近年這些重要的工作，存在著某種有趣的連結。

　　王藹農所寫的survey，也提供第三隻眼睛，重看近代微分幾何的發展，他把似乎零星的一些結果，串連在一起，包括Herman Weyl經典的embedding定理、Nirenberg、Chern、Choi-Wang（崔炯仁-王譪農）、?的人的工作。有很多地方，他也扣合著一些與我相關的工作。例如，他用簡練的文字，詮釋大凹陷定理：同時，他把Henry Wente著名的反例，給予幾何的描述，讓人易於了解。這是我書中該做而沒做的事。

　　林俊吉所談〈曲線與幾何分析〉，是一個正在開展而處處未知的領域，其中很多概念都還有待定義。1980年代我曾注意到DNA本身的動力問題，並到生化所演講。DNA的性狀，鬆坦或糾結，與它的活性，亦即它影響生物體的強度有關。數學上的彈性桿（elastic rods）正是DNA的原始力學模型。

　　林俊吉在文中介紹彈性桿的精確定義，並分析當前相應的發展。文中他更從微分幾何的觀點，申論Mobious bands與幾何扭結（geometric knots，即在拓撲扭結上加尺度結構）。這些研究都處在開創階段，充滿活力。林俊吉的survey，從界定問題的困難出發，讓我們看到第一線研究各種嘗試的利弊，非常有趣而深具啟發，值得年輕的研究者投入。

　　非常感謝三位同行分別為本書的衍篇撰文，替這部書生色不少，也為這部書的讀者，打開多面窗。這正是當初我邀他們撰稿的目的。他們的撰文，讓這本書鋪陳的內容，活了起來。

二版序

《大域微分幾何》三卷書二版序（摘錄）

　　1、

　　這三卷書去年初版。出乎意料的，不到一年半已幾乎售罄。去年初版成書後不久，我便發覺有幾處校對上的疏忽。另外，下卷最後一章（即ch.30）的最後一個式子，因論證大意而有漏洞。慚愧之餘，我一直期待再版時，能有機會修正。

　　雖然有了這些瑕疵，但出書以來，我收到一些數學家的正面回饋，則感到欣喜。例如美國Purdue大學莫宗堅教授、史丹佛Stanford大學兼中研院劉太平教授，透過信件或電話告訴我，他們?讀時的感想。台大蔡宜洵教授更細心的讀完終卷，寫下深刻感人的書評，發表在《中華民國數學會電子報》；這份書評的紙本，亦將在中研院《數學傳播》季刊全文刊登。

　　另外，感謝張海潮、王藹農、王立中教授指出篇一第4章「曲面論基本定理」的證明，有個gap，並做了補正，其間細微之辨，非常有趣。我在現今這個二版的上卷書末，增添兩頁附錄，放入他們的補正。

　　2、

　　初版時，我在引言中談到1978年我出版過的小書《初等微分幾何講稿》（以下簡稱為「小書」）。這本小書適合大學部初讀者的水準。許多這一代台灣的數學家，年輕時都讀過這本小書。如今他們已步入中年，多次向我提起小書對他們大學時代的影響。

　　今年初，在新迪出版社友人石飛益的贊助之下，這本小書重新修訂出版。

　　目前《大域微分幾何》這三卷書（以下稱為「大書」），可以看成是小書的續集，初版或二版不拘。也就是說，小書是大書的先修本。

　　但大書上卷的前篇章A〈大域曲面論概要〉則是小書的濃縮版。數學程度成熟的專業者可以跳過小書，直接讀大書。兩書一小一大，相輔相成，從大學部的水準，一直深入微分幾何專業研究的領域。

　　中研院鄭日新、台大李瑩英、師大林俊吉三位教授，原本計劃要在今年8月7日，為大書舉辦「新書發表會/暨cmc曲面研討會」；同時也回顧他們年輕時走向幾何的經驗。惜因疫情起伏不定而作罷。

　　我在今年初的《數學傳播季刊》中，寫了一篇長文，?明大書與小書內容的連結。這篇長文也作為前言，放在重新出版的小書中。

　　3、

　　眼前這套大書的再版（即現今這二版），上、中兩卷除了修正幾處typos（校對誤差）之外，幾乎沒什麼更動。下卷亦然，真正大幅更動的是最後一章（ch30）。我把它重新改寫，因為在彌補前述的漏洞時，我們的研究工作又有新的進展。

　　這章主題是處理cmc曲面（hypersurface ）上domain D(t)的動態變形，考慮其上Jacobi場隨著t，而離散出現的分佈情狀。

　　我們引入Morse index定理，來處理這問題。關鍵便落在stability operator的特徵值是否連續。我們處理的domain D(t)是困難的廣義Lipschitz domain，並且容許它們的topological type可以隨t而改變。如此D(t)才能伸向大域，使其樣態多變。

　　但這樣一來，問題便艱鉅得多，而且論證也變得深刻。穿越困難，像走入曲折迂迴的甬道，暗黑而多次碰壁。經過半年多艱辛的努力，我們終於看到曙光，解決了問題，得到完整的結果。

　　這章（ch30）的改寫，是二版修訂真正的重點。

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