A NNALES DE LA FACULTÉ DES SCIENCES DE T OULOUSE
G RÉGOIRE -T HOMAS M ONIOT Existence de surfaces de Willmore qui ne sont pas minimales
Annales de la faculté des sciences de Toulouse 6
esérie, tome 11, n
o3 (2002), p. 425-434
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- 425 -
Existence de surfaces de Willmore
qui
nesont pas minimales(*)
GRÉGOIRE-THOMAS MONIOT(1)
e-mail : gtmoniot@u-bourgogne.fr
Annales de la Faculté des Sciences de Toulouse Vol. XI, n° 3, 2002 pp. 425-434
RÉSUMÉ. - En utilisant un théorème de Langer et Singer, Pinkall a
construit dans
[Pi]
une infinité de tores plongés dans S~ qui sont des points critiques de la fonctionnelle de Willmore, mais qui ne proviennent pas de surfaces minimales. Nous donnons ici une démonstration plus géométriquede ce résultat sans utiliser le théorème de Langer et Singer. Les tores
obtenus par Pinkall sont des images réciproques par l’application de Hopf de courbes de S2. Lorsqu’un tel tore est extrémal, des relations entre la courbure de son image et la courbure des cercles d’une famille particulière enveloppant cette image apparaissent. Nous verrons que les contraintes
apportées par ces relations sont suffisantes pour déterminer la courbure de ces images.
ABSTRACT. - Using a theorem of Langer and Singer, Pinkall constructed in
[Pi]
an infinite series of embedded tori in S~ which are critical points of the Willmore functionnal, but that do not stem from minimal surfaces.We give here a more geometrical proof of this result whithout using the Langer and Singer’s theorem. The tori obtained by Pinkall are inverse images by the Hopf application of curves in S~. Extremality of such a
torus leads to some relations between the curvature of its image and the
curvature of the circles of a particular family enveloping those images.
We shall see that the constraints given by those relations are sufficient to détermine the curvature of those images.
~ * ~ Reçu le 22 janvier 2002, accepté le 22 octobre 2002
( 1 ) Laboratoire de Topologie, Département de Mathématiques, UMR 5584, Université de Bourgogne, 9, avenue Alain Savary, BP 47870, 21078 Dijon Cedex, France.
1. Introduction
Soit S une surface
plongée
dansS~
et H sa courbure moyenne, la fonc- tionnelle :est
appelée
fonctionnelle de Willmore. Parmi les surfaces de genre un, onpeut
se demanderquelles
sont cellesqui
réalisent le minimum de W. C’estl’objet
de laconjecture
formulée par Willmore dans[Wi] qui
propose comme candidats le toreappelé
tore deHopf
ainsi que toutes sesimages
par lesdifféormorphismes
conformes deS3.
On trouvedéjà
trace de cetteconjecture
dans Thomsen[Th].
Dans
[Pi],
Pinkall construit des toresqui
sont desimages réciproques
decourbes
simples
fermées deS~
par laprojection
deHopf
deS~
surS~.
Ilmontre que de telles surfaces sont des
points critiques
de W si et seulementsi les courbes
correspondantes
sont extrémales pour la fonctionnelle :où k est la courbure de la
courbe 03B3
deS2
et dt salongueur
d’arc. L’existence de tores extrémaux est donc conditionnée par l’existence de courbescritiques
pour F.
Langer
etSinger,
dans[La-Si],
ont mené l’étude despoints critiques
de la fonctionnelle :où À est un réel et k est la courbure
géodésique
d’unecourbe -y
d’une variétériemannienne;
lacourbe 03B3 est,
deplus, supposée
fermée ou donnée avec unecondition au bord. Ils ont nommé de telles courbes des courbes
élastiques.
S’appuyant
sur cetteétude,
ils ont pu montrerqu’il
existe une infinité de courbes fermées deS~
extrémales pour F. Ce dernier résultatpermet
alors à Pinkall de conclure à l’existence d’une infinité de toresplongés
extrémaux.On se propose ici
d’adopter
une autre démarche. Enpartant
d’un tore Tplongé
dansS~,
on va considérer lessphères tangentes
à ce tore de même courbure moyenne que celui-ci aupoint
detangence, sphères
que l’onappellera sphères
moyennes. Cessphères
forment une famille à deuxparamètres qui possède
uneenveloppe
à deux nappes dont l’une est le tore T.Bryant
a montréqu’un
tore est extrémal si et seulement si sessphères
moyennes sont aussi moyennes pour l’autre nappe. Or
d’après Pinkall,
unecourbe de
S~
est extrémale si et seulement si le torequi
estl’image
in-verse de cette courbe par la
projection
deHopf
est extrémal. On veut doncsavoir s’il existe une condition du même ordre que celle de
Bryant
pour les courbes extrémales dansS2.
Pourcela,
onregardera
ce que deviennent par laprojection
deHopf,
le toreT,
sessphères
moyennes et l’autre nappe.Les deux nappes sont
envoyées
sur deuxcourbes,
et lessphères
sur des dis-ques
tangents
aux deux courbes. On verra deplus
que dire que dessphères
sont moyennes pour une des deux nappes
équivaut
à dire que les cerclesqui
sont les bords des
disques
ont pourcourbure 1 2 (k - k )
où k est la courbure de la courbecorrespondante
à la nappe choisie. On pourra alors conclurequ’une courbe 03B3
de courbure k est extrémale si et seulement si les cerclestangents
decourbure - (1~ - ~ ) enveloppent
une autre courbe de même courbure que -y. Cettepropriété
sera suffisammentcontraignante
pour que l’onpuisse
en déduirerapidement l’équation
différentielle satisfaite par la courbure de courbes extrémales. Cetteéquation
différentielle aura pour so- lutions les solutions données parLanger
etSinger, qui
ontégalement
montréqu’une
infinité d’entre ellescorrespondent
à des courbes fermées. Cela nouspermettra
alors de réaffirmer le résultat de Pinkall.2.
Rappels
etinterprétations
des résultats de Pinkall etBryant Rappelons
tout d’abord ladescription
del’application
deHopf
choisiepar Pinkall.
Il met en
bijection R4
et H le corps desquaternions
parl’application classique :
S~
est lasphère
unité deR4
etS~
lasphère
unité du sous-espaceengendré
par
1, j
et k. Il définit laprojection
7r deHopf
par7r(q)
=çç
oùg
estl’ ant i aut omorphisme
de Hqui
fixe1, j
et k etchange
i en - i .L’application
notéequi
à unpoint q
deS~
associe lepoint
esttelle que = q. De
plus,
la fibre deHopf
contenant lepoint
q estl’ensemble °
Si P est le sous-espace du
plan tangent
en q àS~
de dimension deuxperpendiculaire
à la direction de la fibre deHopf,
alorsl’application
d7rrestreinte à P est une
bijection qui
double les distances.Pinkall définit un tore de
Hopf
de lafaçon
suivante.Soit,
une courbefermée
simple
dansS2.
Le tore deHopf
S associé à lacourbe,
est la surfaceTr~(~).
La courbure moyenne de ce tore en unpoint
de~-1 (~y (s ) )
estégale
à la courbure
k(s)
de lacourbe,
aupoint ~y ( s ) .
On suppose que la courbea pour
paramètre
salongueur
d’arc et que L est salongueur.
De laprécédente affirmation,
Pinkall déduit :ce
qui
montre que S est extrémale pour la fonctionnelle de Willmore si et seulementsi 03B3
est extrémale pour la fonctionnelle F.Comme l’on veut travailler avec des familles de
sphères,
onpeut
étendre les calculs de Pinkall au cas d’unesphère
S deS~
de courbure b. Pourcela,
considérons la famille de
sphères ~ei~.S~~E~o,2~~ . Elle admet pour enveloppe
un tore
Tb composé
de fibres deHopf.
Cette surfaceTb
seprojette
donc enune
courbe 03B3b
avecTb
=03C0-1(03B3b).
La courbure de qb estégale
à la courbure moyenne deTb.
OrTb
est de courbure moyenne constanteégale à 2 (b - b ).
La
courbe 03B3b
est alors un cercle de Elle forme le bord dudisque
enlequel
seprojette
lasphère
S. Deplus, si 03B3
est une courbe deS 2 ,
et si S est
tangente
à la surface(~y),
alorsTb
esttangente
suivant toute la fibre deHopf passant
par lepoint
detangence
entre S et~--1 (~y)
et par suite ~yb esttangente
à ~y.Lorsque
S est une surface dansS~,
onpeut
considérer la famille dessphères, appelées sphères
moyennes,qui
lui sonttangentes
etqui
ont pour courbure la courbure moyenne de la surface aupoint
detangence
considéré.Cette famille à deux
paramètres
desphères
admet uneenveloppe
à deuxnappes. L’une est la surface S. Dans
[Br], Bryant
affirmequ’une
conditionnécessaire et suffisante pour que S soit extrémale est que ces
sphères
soientaussi des
sphères
moyennes pour l’autre nappe.Lorsque,
est une courbe de courburek,
lessphères
moyennes du tore deHopf qui
luicorrespond
ont pour courbure k et seprojettent
en une famille dedisques tangents
dont le bord est un cercle deOn
peut
donc conclure :LEMME 1. - Une
courbe,
de courbure k est extrémale pour F si et seulement si lafamille
de cerclestangents
decourbure 2 (k
-~ )
admet uneautre courbe
enveloppe
et si ces deux courbes ont même courbure auxpoints
de contact d’un cercle avec chacune des deux
enveloppes.
3. Réduction du
problème
Supposons,
extrémale.D’après
le lemme1,
il existe unecourbe § qui
amême courbure que ~y. Il s’ensuit
qu’il
existe une isométrie deS~ qui
envoieq sur
~y.
Le but de cettepartie
est de montrerqu’une
étudeapprofondie
n’est nécessaire que si cette isométrie est une
symétrie
parrapport
à ungrand
cercle.Il y a seulement trois
types
d’isométries pourS~ :
lesrotations,
lessymé-
tries par
rapport
à unplan passant
parl’origine
que nousappellerons
aussisymétries
parrapport
à ungrand cercle,
et lescomposés
d’une rotation et d’unesymétrie
parrapport
à ungrand
cercle invariant par la rotation.Notons 0 la famille de cercles considérés au lemme
précédent.
Supposons
que l’isométrie I considérée soit lacomposée
d’une rotationR d’axe Nord-Sud et d’une
symétrie
S parrapport
augrand
cercle C hori-zontal. Soit p un
point de 03B3
etp
lepoint de qui
luicorrespond.
On vamontrer que la
tangente
à lacourbe,
nepeut
avoir que deux directionspossibles qui dépendent
de I et non de ~y. SoitCi
etC2
lesgrands
cerclespassant
par les deuxpôles
N et S etqui
contiennentrespectivement
p etp.
L’angle
a entre ces deux cercles estl’angle
de la rotation. Enopérant
uneprojection stéréographique
depôle
unpoint
intersection de C avec legrand
cercle
passant
par les deuxpôles
et faisant unangle aj2
avecCi
etC2,
onobtient la situation
représentée
sur lafigure
1(a).
Figure 1
_
La
tangente tp-y
en p estenvoyée
par l’isométrie sur latangente tp~y
en
p
à.
Enoutre,
il existe un cercle C de Fqui
esttangent
en p. Ce cercle passe parp
et y a unetangente tpC.
Pardéfinition,
ce cercle doit êtretangent à ~y,
et on doit donc avoirtpC
= .Sur la
figure, l’application qui
envoietpq
sur est lacomposée
de latranslation ~ --
de vecteurpp
et de lasymétrie
sT parrapport
à la droite Ttangente
àCi
en p, alors quel’application qui
envoietpC
surtpC
est lasymétrie
sD parrapport
à la droite D médiatrice despoints
p etfi.
Ces transformations sontreprésentées
sur lafigure
1(b).
On doit donc avoirtpp
o = Ensupposant
p etp distincts,
ce n’estpossible
que si les droites T et D sontparallèles.
Celaimplique
soit que p etp
sont surC,
soit que les cerclesCi
etC2
sont confondus et donc que la rotation R estd’angle
7r,auquel
cas I estl’application antipodale.
Dans le
premier
cas, lescourbes,
et;y
sont sur un mêmegrand
cercle.Les cercles de la famille .~’ sont tous confondus dans ce cercle. La relation de courbure du lemme 1 est contredite.
Dans le deuxième cas, les cercles de la famille .~’ sont des
grands
cerclesde courbure nulle. La
courbe,
est un cercle de courbure 1.Supposons
que l’isométrie considérée soit une rotation R d’axe vertical.On montre dans le même
esprit
que les seulespossibilités
sont que, soittangente
ouperpendiculaire
à un des cercles invariants par la rotation. Parsuite,
est soit un de ces cercles soit un desgrands
cerclesperpendiculaires
aux cercles invariants par la rotation. Dans le
premier
cas, les deux courbes sont confondues en un même cercle et ,~’ est réduite à cecercle,
et la relationentre les courbures est contredite. Dans le second cas, les deux courbes sont des
grands
cercles. Mais dans ce cas elles sont de courbure nulle et les cercles .~’ sont réduits à despoints.
Les deux courbes sont confondues et la rotation est l’identité.Supposons
que l’isométrie considérée soit unesymétrie
parrapport
à ungrand
cercle.Toujours
de la mêmefaçon,
on voitqu’un
cercle passe parles
points
p etp
=1(p)
en étanttangent et ;y
seulement s’il est centré lelong
dugrand
cercle desymétrie.
La famille .~’ est donc une famille de cercles centrés suivant ungrand
cercle.4. Reformulation de la condition nécessaire et suffisante
On va désormais supposer que toute courbe extrémale est
enveloppe
de cercles centrés suivant un
grand
cercle. Cette restriction ainsi que la connaissance durapport
entre la courbure de ces cercles et la courbure de la courbe va nouspermettre
de mener des calculs afin d’établir une nouvelle condition nécessaire et suffisante de l’extrémalité de la courbe :LEMME 2. - Une
courbe 03B3
deSZ
est extrémale si et seulement si safontion
courburek, lorsque
leparamètre
est lalongueur
d’arc de q,satisfait
à
l’équation différentielle
:Nous allons tout d’abord introduire
l’espace
des cercles. Ilpermet d’ap- préhender
facilement les relations entre la courbure des cercles d’une familleenveloppe
d’une courbe et la courbure de cette courbe.On note M le
produit
scalaire de Minkowski dansR4.
Soit r la variété de de Sitter constituée despoints
de norme de Minkowski1,
et C le cône de lumière constitué par les droitesisotropes passant
parl’origine.
Leplan
affine P = e4 +
V ect(e1,
e2,e3 )
coupe C suivant unesphère
S de dimension 2.La
métrique
de Minkowski restreinte à cettesphère
est unemétrique
eucli-dienne dont on la munit. S est ainsi
isométrique
àS~,
unpoint
de
S~ correspondant
aupoint (x1, x2, x3,1)
de S. Tout cercle de S est la trace d’unplan
de dimension trois detype (+,+,-),
c’est-à-dire d’unplan
dont le vecteur normal est de norme
positive. Inversement,
toutplan
de cetype
trace un cercle sur S. rrepère
tous les cercles deS,
c’estl’espace
descercles.
Soit,
une courbe dansS~,
on note(y,1 )
la courbequi
luicorrespond
dans S. On
peut
considérer son vecteurtangent Y
et n son vecteur normaldans le
plan tangent
àS~,
vecteursauxquels correspondent
les vecteurs(~y’, 0)
et(n, 0)
pour la courbe(q, 1 )
de S. Tout cercletangent
se décrit dansl’espace
dessphères
par le vecteur a =(n, 0) + t. (~y,1 )
où t est un réel.En
effet,
les cerclestangents
sont les traces desplans passant
par lepoint,
et contenant le vecteury.
Ils ont donc pour vecteur normal n et leuréquation
est de la forme x >= t. Ils s’étendent en un3-plan
vectoriel de
R4 d’équation M((n
+0)
+t.(o,1), x)
= 0qui
a bien a pour vecteur normal. Deplus,
onpeut
vérifierque t
est la courbure du cercle enquestion.
Une famille de cercles
tangents
et de courbure K est donc la courbea =
(n, 0)
+l’C. (-y,1 )
dansl’espace
dessphères.
Par
définition,
on an’ = -~.~y’,
où k est la courbure de -y. On trouve alors : ~’ _(~’C - 1~ ) . (~y’, 0)
+ J’C’ .(’Y,1 )
On voit que
(-y,1 ) )
= 0 et(~y,1 ) )
= 0. Ceci traduit que -y estl’enveloppe
de la famille de cercles a.En calculant
a",
on trouvera :M(a", (~y,1 ) )
=(J~C - k) -y", ~y-
> etlorsque
leparamètre de 03B3
est lalongueur d’arc, l’égalité
devient M(a" , (03B3,1))
- l~ - J~C .
Si q
estextrémale,
on a vuqu’elle
estenveloppe
de cercles 0- centréssur un
grand
cercle. Onpeut
supposer que cegrand
cercle est l’intersection deS~
avec leplan
de vecteur normal e3. On va tout d’abord étudier les relations entre une famille 0- de cercles de courbure IC centrés lelong
de cegrand
cercle et ~y, une de ces deux courbesenveloppes.
Pour
repérer
les cercles a~, on considère0(s) l’angle
du centre du cercle0- ( s)
avec le vecteur ei. Lescercles 03C3(s)
s’écrivent :où pour
simplifier,
on a introduit la fonction l(s) qui
est telle quesh(l (s) )
=/C. On a vu que y vérifie les
équations
suivantes :Après
avoirposé
A = +sin(03B8)e2
> et B = 03B3,-sin(o)el
+cos(0)e2
>, onremplace a
et ses dérivées par leurexpression
en fonction de 03B8 et l :En éliminant A et
B,
on obtient :Supposons
alors que, soitextrémale, on a ~’C = 2 (l~ - ~ ),
c’est-à-dire k =eZ.
On suppose deplus
que ~y a pourparamètre
salongueur
d’arc :y’, ~y’
>= 1. Intéressons-nous à la valeur de d’unepart M(a’)
=(K - k)2
=ch2(l)
et d’autrepart A~(7’) = (8’)2ch2(l) - (l’)2.
On obtientl’égalité supplémentaire :
Ce
qui
nouspermet
de connaître aussi la valeur de 9"/9’ .
On déduit alors de(1)
quequi s’exprime
à l’aide de k comme :Réciproquement, prenons il
une courbe deS~ ayant
pourparamètre
salongueur
d’arc telle que sacourbure k
vérifiel’équation
différentielle(2).
Ondéfinit alors une fonction l telle que
el = ,
et une fonction 9 comme étant... ch2 l)+(l’ 2
une
primitive
de .On considère la famille des cercles 0- définie par les fonctions l et B que l’on vient de donner
et 03B3
une des courbesenveloppes
de cette famille.L’équation (1)
donne dans ce cas :On a aussi les
égalités M(~’)
=(k
-~y’, ~y’
> etM(~’) - (8’)2ch2(l) - (l’)2.
D’où(k
-03B3’, 03B3’
>=ch2(l)
et par suite k -sh(l)
=ch(l)
cequi
nouspermet
de conclure que k =el
=k
et aussi que’y’ , ’y’ > = 1.
Les
courbes, et
ont alors toutes deux commeparamètre
leurlongueur
d’arc et ont même courbure. Il existe donc une isométrie 1 de
S~ qui
en-voie l’une sur l’autre. La famille de cercles a~ a deux courbes
enveloppes symétriques
parrapport
à ungrand
cercle etqui
ont donc même courbure.On en conclut que
l’image
de cette famille de cercles par l’isométrie 1 estune famille de cercles
tangents à qui
vérifie les conditions du lemme1.
est donc extrémale. La démonstration du lemme 2 est alors achevée.
5. Conclusion
Nous
rejoignons
maintenant l’article deLanger
etSinger.
Ilsproposent
comme courbes solutions du
problème,
les courbes dont la fonction de cour-bure est de la forme : ,
où
ko
est uneconstante,
p vaut cn est la fonction cosinuselliptique.
Onpeut
vérifier que cette fonction vérifiel’équation
différentielle du lemme 2.Pour
chaque
valeur deko,
il existe une infinité de courbes deS2
toutesisométriques qui
ontk(s)
comme courbure. A chacune de ces courbes est- 434 -
associé un
grand
cercleCka
tel que celle-ci soitl’enveloppe
de cercles centréssur
Cka.
On obtient donc une famille de courbes surS2
toutes extrémales.Langer
etSinger
ont montré que pourtout p et q
entiers telsque 2 1,
ilexiste
ko
tel que la courbe coupeCka
en despoints qui
font unangle
de Il existe alors une infinité de
ko
pourlesquels
la courbe estune courbe
simple
fermée. C’est ce résultatqui permet
à Pinkall d’affirmer l’existence d’une infinité de toresplongés qui
sont despoints critiques
pour la fonctionnelle de Willmore.Bibliographie
[Br]
BRYANT(R.L.).
- A Duality Theorem for Willmore Surfaces, Journal of differen- tial geometry, 20, no. 1(1984),
p 23-53.[Wi]
WILLMORE(T.J.).
2014 Note On Embedded Surfaces, An. st. Univ. Iasi, s.I.a. Mathe- matica, 11B(1965),
493-496.[Pi]
PINKALL(U.). 2014 Hopf
Tori inS3,
Inventiones mathematicae, 81, no. 2(1985),
379-386.