S ÉMINAIRE N. B OURBAKI
N ICOLAAS H. K UIPER
Sur les variétés riemanniennes très pincées
Séminaire N. Bourbaki, 1973, exp. n
o410, p. 201-218
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410-01
SUR LES
VARIÉTÉS
RIEMANNIENNESTRÈS PINCÉES
par Nicolaas H. KUIPER Séminaire BOURBAKI
24e
année, 19~1~’72,
n° 410 Février1972
1. Introduction
En un
point
p d’une surface différentiableM~
del’espace
euclidienE3 ,
leproduit
des deux courburesprincipales
est la courbure de Gauss :c’est un invariant
qui
nedépend
que de lamétrique
riemannienne de M . Une définitionintrinsèque
de x est donnée par la formule suivante où 0394 est untriangle
à côtésgéodésiques ("Théorème
deGauss-Bonnet")
d03C9 est l’élément de volume sont les
angles
de A . Soit g la fonction : carré de lalongueur
d’un vecteur tangent de M. g définit alors lamétrique
riemannienne et il détermine la fonction ~ . Quel que soitc >
0 ,
on a la relationConsidérons maintenant une variété différentiable C de dimension n munie d’une
métrique
riemanniennecomplète (M,g) . L’application exponentielle
exp del’espace
vectorieltangent
M de M en p, dans la variété MP P
est définie ainsi : le
point
est à la distance de psur la
demi-géodésique
de source p, dans la direction de v.Si l’ouvert U 3 0 dans
M
est suffisammentpetit,
la restriction exp|U
est undifféomorphisme.
Pour Q un2-plan (sous-espace
vectoriel deP
dimension
2 )
deM , exp (o
nU)
est une surface dont la courbure de Gaussau
point
ps’appelle
la courbure(sectionnelle)
de j . Les structures riemanniennes g etc2g
sur M donnent lieu aux mêmesgéodésiques
et ondéduit de
(2)
que pourchaque 2-plan
a :Nous nous intéressons aux variétés différentiables
C , compactes
Mqui
admettent une
métrique
riemannienne g , pourlaquelle
la courbure h est"presque
constante". On dit que la courbure n > 0(resp. 0)
de(M,g)
est
ô-pincée
s’il existe 6 > 0 et A > 0 tels quepour tout
2-plan
or de M .(On
dit aussi brièvement que(M,g)
est03B4-pincée.) D’après (2’),
on peut supposer que A = 1 . On a alorsIl est difficile de définir une notion utile de courbure presque constante pour la valeur constante 0 .
Pour une surface
compacte
connexe àmétrique
riemannienne(M,g) ,
5-pincée
et à courburepositive (resp. négative),
lacaractéristique
d’Euler-Poincaré est
On sait que M admet alors une
métrique g’
à courbure constante n = 1(resp.
-1).
Pour les variétés de dimension n > 2 la situation estplus compliquée.
Il existe desvariétés (M,g) 1 4- pincées
de dimensionspaires
2m ~4 ,
telles que M n’admette pas demétrique g’
à courbure constante.Pour ~ > 0
d’après
le beau théorème de M. Berger[2],
les seulsexemples
sont les espaces
projectifs complexes
etquaternionniens
ainsi que leplan
des octaves, avec leurmétrique symétrique.
Eberlein[4]
a montré que certainsquotients
compacts de la boule unitaire ouverteB
CC (2m ~ 4)
sont desvariétés
1 4 - pincées
à courburenégative qui
n’admettent pas de structure riemannienne à courbure constante. On ne sait rien 0 . Dans la suite nous ne considérons que les variétés à courburepositive.
2.
Rappel
des résultatsclassiques
deRauch, Klingenberg
etBerger
M. Rauch fut le
premier à
poser leproblème
des variétés8-pincées (toujours n > 0) .
Dans la suite est une variété riemannienne com-plète,
connexe,simplement
connexe(sauf
mentionexplicite).
Rauch aprouvé
en
1951 :
THÉORÈME.-
L’assertion 1 esthoméomorphe
àSn
est vraie pour 6 >0,74 .
Ce n’est que dans la
période
de 1958 à1961
queKlingenberg
etBerger
purent améliorer laconstante, toujours
enpréservant
la même conclusion.Le tableau
historique
des résultatspartiels
est comme suit :à >
0,74
suffit Rauch1951
à >
0,54
suffitKlingenberg [8] 1959
à
> ~ 4
suffit pour npair Berger j~2] 1960
suffit pour n
impair Klingenberg j~9]
1961En vue des
contre-exemples,
on nepeut
pas améliorer ce résultat final :THÉORÈME
1.-4 ~ ~ 5
1 esthoméomorphe à Sn .
"3. Résultats récents
tenant-compte
des- structures différentiablesD. Gromoll
([6], 1966)
a démontré que pour 6n
1 suffisammentgrand,
les variétés03B4-pincées
sontdifféomorphes
àSn .
Les constantesôn
detendent vers 1 pour n Shikata
[.13] 1967
a obtenuégalement
avec d’autres méthodes un tel résultat. On a amélioré ce théorème comme suit :
THÉORÈME
2.- 1 estdifféomorphe
àSn ,
pourb z
0,87 Sugimoto, Shiohama, Karcher, juin
1971[14] ;
6 z
0,85 idem,
novembre1971 ;
b z
0,80 Ruh,
février1972.
’Les méthodes utilisées sont
plus
intéressantes que les constantes exactes obtenues.Problème ouvert.
Rappelons qu’on
ne saittoujours
pas s’il existe unesphère exotique Mn (non difféomorphe
àqui
admette unemétrique
riemannienne à courbure n > 0 .4.
Quelques
éléments de démonstrationa. Théorème de
comparaison
d’Alexandrov(n
=2)
etToponogov C15~ (n ? 2).
(Pour
ladémonstration,
onpeut
voir[5 ].)
Soient
(M,g)
à courbure ~, , b s y~ _ 1 ,S6
la2-sphère
de courbure S . On considère destriangles à
côtésgéodésiques (voir figure 1)
sur lesespaces M et
56.
a ,b ,
c ,a~ ,
a ,cxs désignent
des mesures de côtéset
d’angles (on
a a + b + c2TT/ ,~S ~ .
b. Théorème
d’injectivité.
Nous supposons que(M,g)
est commetoujours complet simplement
connexe, que 1 et que si la dimension estimpaire,
on a de
plus -
~ . . Soit p e M . Alors la restriction deexp p
à la bouleouverte
B
={u
E M :g(u) n2}
de rayon n , est un
plongement
différentiable(ouvert)
dans M . Deplus,
l’image
contient tous lespoints
u à distanced(p,u)
n de p dans M(6)
exp P B =(u
E M :d(p,u) n) .
.Sous cette forme
générale,
le théorème est dû àKlingenberg [9].
Dans la démonstration de ces
théorèmes,
un rôle essentiel estjoué
par un lemme decomparaison
dechamps
de Jacobi dû à Rauch~10~.
Avec cesrésultats,
il est facile d’obtenir un théorème à la Rauch.
Supposons S > 9 4 .
AlorsS 2
est une
sphère
derayon 6
’?
3 2
et de diamètreintrinsèque
-n’6z - 3 2 (rt- ~)
pour un E > 0 . Pour deux
points u~
etu2
dans M à distance= = TT - E de p , comparons le
triangle
dans Mavec un
triangle Ss
dont deux côtés ont lalongueur
03C0 - e . On trouved’après a~ :
Pour
u1 fixé,
n - e est vraie pour toutu2
à distance n - ede p . Alors le bord de la boule exp
P
B(n - e)
est contenu dans la boule0
exp
B(n - e) .
La deuxième boule ouverte ne contient pas p . Parconséquent, u1
la réunion des deux boules est une n-variété
différentiable, compacte, M’ ,
contenu dans
M ,
et alors M’ estégal
àM ;
M’ est couvert par deux boules ouvertes.D’après
le théorème de Morton Brown[~3]
M’ = M est donchoméomorphe
àS
. C’est le théorème désiré.Pour obtenir le théorème de
Berger-Klingenberg,
on suppose que~ 4
1 . Onprend
deuxpoints
p, q dansM ,
pourlesquels
la dis-tance
d(p,q)
est maximale. Le diamètre(intrinsèque)
deSs
estpar définition
Alors,
demême,
M est couvert par les boulesplongées
exp
B(~ - ~~
et expB(~r - ~~
d’où le théorème.P q
5. Sur la théorie de
Sugimoto,
Shiohama et Karcher[14]
à >0,85
Soit -
1 . Onchoisit,
comme dans leparagraphe 4,
p et q à distance maximale et on définit :l’équateur M = (u
E M :d(p,u)
=d(q,u)) ;
la boule nord
M+ = (u
E M :d(p,u) ~ d(q,u)) ;
la boule sud
M- = (u
e M :d(p,u) ~ d(q,u~~ .
On définit de manière
analogue
pour lan-sphère
S à courbure constanteégale
à 1 , parrapport
à deuxpoints
diamétralementopposés
P et Q :l’équateur So ;
la boule nordS~ ,
et la boule sud S . Onpeut
affirmer queM+
etM~
sont vraiment des boules ~ bord différentiables.On va définir comme suit un
homéomorphisme :
Pour
M~ ,
h est ledifféomorphisme (voir figure 2)
1B désigne
undifféomorphisme
deexp (M+)
sur la boule B(n/2)
dansl’espace
tangentM , qui préserve
les demi-droites dans M de source0
e M et X
est l’identitéprès
de p .T+
est une isométrie entre les espaces tangents de M à p et de S à P . SurM ,
on définit h(déjà
connu surMo )
h(u) =
expexp (u) ,
u E M .X
et T-
sont
analogues à 03BB+
et03C4+ . f*
est unhoméomorphisme
sur lui-même de la boule dansl’espace
tangent de S à Q. Ce serale cône sur un
difféomorphisme
f de lasphère
unitaire dans cetespace tangent, f est
uniquement
défini dès queT+
etT
sont donnés.L’homéomorphisme
h est undifféomorphisme
en dehors deMo
U q . Pourqu’il
devienne un
difféomorphisme
en lespoints
deMO,
il suffit dechanger
h dans un double collier deMo
mince.Le
problème
est ainsiréduit à
trouver undifféomorphisme
de la boule B .F : B -~ B
qui prolonge
f :Sn ~ -~ Sn-~ -
oB . Pour que Fexiste,
il suffit que f soitdifféotope
à l’identité. f s’identifie à lacorrespondance
entre direc- tions en q et directions en p , donnée par la relation :"pointer
vers lemême
point
deM°
".Les auteurs étudient ensuite
l’application
f , On essaie de définir unehomotopie ft
entre l’identitéfo
et f = pourlequel
lepoint
u sedéplace
dans la direction def(u) :
Pour l’existence de
F ,
il faut que(d
est la distance dans)
Ruh avait
déjà
montré que si L =(~ sin(n~2,~~~~ ~ ,
, alors :En utilisant
j~1],
les auteurs trouvent que(8)
est satisfait pourF
défini,
on examine s’il peut être unedifféotopie.
Soit
~(u,v~ l’angle
dansl’espace
entre les directions des vecteurs vtangent
aupoint
u ESn-1
1 et(df)(v)
aupoint f(u) . Si,
pour tout u , v , les
angles (3 == d(u,f(u))
et 4l =~(u,v~
sontpetits,
il est
géométriquement plausible
que lesft ( dft
de rangmaximal)
sontdes
difféomorphismes
pour 0 ~ t s 1 , et F est alors ladifféotopie
désirée.Dans une
analyse élaborée,
les auteursprouvent
que tel estdéjà
le cas si(3 : 2
cequi
est vrai pour 6 >0,76 ,
et
~ s 2
cequi
est vrai pour à >0,90 . Mieux,
on montre que c’est le cas si :ce
qui
est satisfait pour à >0,85 .
6. Sur la théorie de Ruh
6.a. L’idée fondamentale. La nouvelle idée de
Ruh, qu’il
adéjà
utiliséedans
~11~,
est d’imiterl’application
de Gaussf, qui
àchaque point
u de lasphère
unitaire M =Sn = (z
EEn+1 : Izl = 1)
dansl’espace
euclidien1
associe le vecteur unitaire normal en u
pointé
vers l’extérieur.f est l’identité donc un
difféomorphisme.
Onpeut
rendreintrinsèque
cetteconstruction,
comme suit :Soient
T(M)
le fibré tangent de M =Sn
etv(M)
le fibré trivial defibre R de section
marquée
e.~(M) = 03C4(M) ~ v(M)
est alors unRn+1- fibre (trivial)
sur M =S
. NotonsEu
sa fibre aupoint
u . Elle contient de manière naturellel’espace tangent
M . Notons V la connexion deLevi-Civita sur
03C4(M) .
Pour un constant c >0 ,
on définit une connexionV’ sur le fibré
~(M)
parPour c = 1 , c’est le
parallélisme
absolu(= intégrable),
induit par letransport parallèle
dans .L’application
de Gauss u t-af(u)
eMp
se réalise par letransport
V’-parallèle
du vecteur e =e
dupoint
u E M vers unpoint
fixe p E M .6.b. Les
champs
de(n +1~-repères W+
et W et lesapplications f ,
.f ,
, f .Dans le cas d’une variété
pincée (M,g) avec -
1 , on définitp , q ,
M° , M , M
comme dans leparagraphe
5. On introduit ’’~(M~ _
É9 et lechamp
e . La connexion V’ sera donnée par la for-mule
(9)
avec(10) c~ = ~(1
+ 1 .On définit une structure euclidienne dans la fibre E ,
qui
induit dansu
M c: E la structure donnée g, et tel que e e E soit unitaire et ortho-
u u ’ u
gonale
à 14 pour tout u ~ M .Dans une n+ 1 -base de E formée de e et des vecteurs d’une base u
orthonormée de M c
E ,
l’élément del’algèbre
de Lie dans(9)
estrepré-
senté par une matrice
antisymétrique
Par
conséquent
letransport parallèle
Vpréserve
les structures eucli- diennes des fibres de’~(M~ .
’ Choisissons dans E un n+1 - repère W
P P
orthonormal. Soit
W
lechamp
des n +1 - repères
orthonormaux surM+ ,
obtenu par
transport 0’-parallèle
deW
suivant lesdemi-géodésiques
deP
CM+,g)
de source p. Soient C unegéodésique
minimale de p à q et W lerepère
déduit deW
par transport7’-parallèle
lelong
de C .q
Soit
W"
lechamp
de n + 1 -repères
surM ,
déduit deW
partransport 7’-parallèle
suivant lesdemi-géodésiques
de(M ,g)
de source q . Engénéral,
leschamps W
et W ne coïncident pas surl’équateur M
Soit
eu , W+u>
ERn
les coordonnées du vecteure
en u EM
+
dans la
base Soit
f+(u)
E EP
déduit de
e u
EE u
par transportparallèle
lelong
desdemi-géodésiques
de source p . Dans la baseW+ , f+(u)
a encorepour coordonnées
(e , W+) .
On définit de même(e , W" )
ERn
etf (u)
E Eu u u u p
pour u e M
(le transport parallèle
se fait lelong
desdemi-géodésiques
desource q
prolongées
parC ~ ).
En
général, f+IMo
etf M
ne coïncident pas. On va les rendreégaux
comme suit.
Lemme 1.-
(Voir § 6.c) Si
à >0,62 ,
alorsest un vecteur unitaire bien
défini.
Dans leplan
des vecteursf (x)
etf"(x) ,
on considère la rotation , Q s cpqui applique
f~(x)
surf (x) .
Soit exp 2t B la transformationorthogonale qui
laisse invariantchaque
vecteurorthogonal à
ceplan
etqui
induit une rotationd’angle tcp
dans ceplan.
Soitb ~
exp 2 B ,
~ alors bf~(x) = f (x)
;B est un élément de
l’algèbre
de Lie du groupeorthogonal.
Introduisons les "coordonnées
polaires" (t,x)
e~0,1~ x Mo
de u E(resp. M )
par les formulesu = exp p
t
exp-1p (x) (resp.
" u = expq t exp
q
1 (x) ).
On
prolonge
f surM+ (resp. M )
enposant
Pour t = 1 , on a bien
f(l ,x) =
expB.f+(x) - exp(-B~.f (x) .
Lemme 2.-
(Voir § 6.d)
Pour ô >0,80 ,
les restrictions et sont des immersions dans S =Sn
de même orientation.Le théorème 2 de Ruh est une
conséquence
des lemmes 1 et 2 comme suit.Soit à >
0,80 ;
f est bien défini et et sont des immersions de mêmes orientations. On peut modifier f dans un double collier autour deM°
de telle sorte que la nouvelleapplication
f’ soit une immersion diffé-rentiable f’ : M -~ S . Alors f’ est un revêtement et par
conséquent
undifféomorphisme.
6.c, Sur la démonstration de
la x 1
n , lemme 1.Soit a =
a
la matriceorthogonale
donnée par la formuleAlors,
la condition(11) s’exprime
par :Définition
des fonctionsR( )
Soit
(~,x~
unlacet Ç
de source x dans une variétéM ,
base d’un fibré’~(M~
à fibreseuclidiennes,
muni d’une connexion Vqui préserve
lastructure euclidienne des fibres. Le
transport ~-parallèle
lelong
de(03BE,x)
nous donne une transformation
orthogonale
notéeR(S,x)
de la fibreEx
de’~(M~ .
Sa norme(voir (12))
est
indépendante
de xE ~ .
Pour la connexion riemannienne d’une surface
et S
le bord d’undisque
D :Plus
généralement,
la limite(pour
D un2-disque orienté
debord Ç
et d’aire dAplongé
dans une sur-face différentiable
V 3
x deM)
est un élément del’algèbre
de Lie du groupeorthogonal.
Il nedépend
que du2-plan
orienté 6tangent
àV2
enx . Pour la connexion d’une
métrique
riemannienne(M,g) ,
R : Q -~.R(a)
définit le tenseur de courbure. Pour le
composé (~,x~ _ (~ ,x)
+(~ ,x)
dedeux lacets :
On en déduit
l’inégalité intégrale
pour lebord S
d’un2-disque
différen-tiable orienté
D ,
d’élément d’aire dA :(6
varie dans l’ensemble des2-plans tangents
deD).
’~
NotonsR’(~,x) , R’(o) (resp. R(~,x~ , R(o) )
les fonctionsR( )
pourla connexion ~T’
(resp. V )
du lemme 2. Soit(~,x)
le lacet de sourcex E
M° , qui
est lecomposé
desgéodésiques (figure 3) :
(u
=(t,x)
EM+ :
1 ~ t ~0~
de x à p ; lagéodésique
fixe C de p à q ; et(u
=(t,x)
ÉM :
0 : t ;1)
de q à x .Soit cf cI M
()c~) ~ n)
leplus petit
des deux secteursangulaires
limités par lestangentes
à C et à lagéodésique
de p à x .~
est le bord de l ’unionD = D p U D
q
des deux
2-disques (cônes)
suivants :La définition
(9)
de V’ entraîne queR’ (cr)
est obtenu deR"(o-)
par leplongement
naturelso(n
+1) ( R"(o-) ~ 2(1
+est la valeur de R pour la
n-sphère
de rayon 1), d’où
R ’I = R~~ (~~ I
.Comme
(M,g)
est03B4-pincée, d’après
Karcher[7J : R" (o-) 1 ~ 2 3 (1 - ô) .
Donc
SI 3 (1 - ô) (aire
D + aireD ) .
Enappliquant § 4.a,
(Toponogov)
à destriangles (p,u,u+ du)
et(q,u,u
+du)
à côtésgéodési-
ques
[u
et u + du =expu(du)
dansDp
nMO] ,
on obtientPour s z
0,62 , 1
s0,98-rr
n ; ; c ’est le lemme 1.Pour 03B4 ~
0,75 , 1 a x 1
s0,485n 2 tt .
6.d. Sur la démonstration du lemme 2.
Il suffit de démontrer que la dérivée de
fIM+
est de rang maximal enu =
(t,x)
EM (et
de même pourf)M’" ) .
On af = exp =
exp t B~e,W+) .
Le deuxième terme de
df =
(d exp t B~.f+(u~
+ + exp t B.est le
composé
deexpt B
eSO(n
+1)
et de(0’e,W+)
etd’après (9)
est unesimilitude de dilatation c
= J (1
+03B4)/2 :
pour du EM ,
on aPour s Z
0,80 , l’image
est delongueur
Ce terme est bien de rang maximal. E. Ruh montre que les autres termes sont
trop petits
pour détruire cettepropriété.
Par un calcul
qui
n’utilise que les méthodesdu § 6.c,
on obtient que lanorme du dernier terme de df est
(18) o,10 .
Majorer
lepremier
terme estplus
difficile et la démonstration n’a pas encore étérédigée (30 janvier 1972). D’après Ruh,
laprojection
dupremier
terme(appliquée à du )
sur le deuxième est delongueur 0,80 du .
Le lemme enrésulte, d’après (17)
et(18).
Remarque.- Le fait que la démonstration
précédente
fournisse une constante àindépendante
de n , est lié au fait que B esttoujours
essentiellement bidimensionnel.RÉFÉRENCES
[1]
M. BERGER - An extension of Rauch’s metriccomparison
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Illinois J. Math.6, (1962),
p. 700-712.[2]
M. BERGER - Les variétésriemanniennes 1/4- pincées,
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Vol. 14(1960),
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Bull. A.M.S., 66(1960),
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D. GROMOLL - Differenzierbare Strukturen und Metrikenpositiver Krümmung
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[7]
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E. RUH -(à paraître).
410-18