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Preprint submitted on 14 Oct 2008
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Structures conformes asymptotiquement plates
Guillaume Vassal
To cite this version:
Guillaume Vassal. Structures conformes asymptotiquement plates. 2008. �hal-00330020�
GuillaumeVassal
14otobre 2008
Résumé
Dans la première partie de et artile, nous présentonsla théorie des strutures de
Weyl et des spineurs à poids sur une variété onforme. Dans la seonde partie, nous
introduisonslanotiondestruturedeWeylasymptotiquementplate,lamasseassoiéeet
nousdémontronslethéorèmedelamassepositivedansleadredelagéométriespinorielle
onforme.
MSC2000:53A30,53C27,46E35.
motslés:StruturedeWeyl,spineuràpoids,variétéasymptotiquementplate,théorème
delamassepositive.
Table des matières
1 Poids onformes et spineurs 2
1.1 Strutures de Weyl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Spineurs onformes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Formulede Lihnerowiz onforme I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Formulede Lihnerowiz onforme II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Strutures onformes asymptotiquement plates 19 2.1 Variétés asymptotiquement plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Strutures de Weyl asymptotiquement plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 Sous-lasses asymptotiquement plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4 Théorème de lamasseonforme positive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Introdution
Unevariétériemannienne
M
estasymptotiquement plates'ilexisteunompatK
telqueles omposantes onnexes de
M \ K
sont diéomorphes à l'espaeR n
privé d'une boule, et si dans es ouverts, la métrique est asymptotique à la métrique plate deR n
. Sous ertaines onditions, un invariant géométrique alulé à l'inni leur est assoiée : 'estla masse de lavariété asymptotiquement plate. Dans unadre spinoriel, E. Witten [14℄ démontre que ette
masseestpositivesilaourburesalairedelavariétéestpositiveetqueesvariétéspossèdent
uneertaine rigidité puisquela masseest nulle sietseulement si lavariété estisométrique à
l'espaeeulidien.RenduerigoureuseparT.ParkeretC.H.Taubes[11 ℄,laméthodereposesur
laformuledeLihnerowiz.Une foisintégrée,etteformulefournituntermedebordqui,sous
les bonnes hypothèses, onverge vers la massede la variétériemannienne asymptotiquement
asd'égalité.
P.T.Chru±ieletM.Herzlih[2 ℄ontdéniunemassepourdesvariétésasymptotiquement
hyperboliquesetontdémontréunthéorèmedemassepositivedanseadre.Dans[3℄,Xianzhe
Daigénéraliselethéorèmede massepositiveau asoù lavariétéestasymptotiqueauproduit
R n × X
, oùX
est une variété ompate simplement onnexe de Calabi-Yau ou une variétéhyper-Kählerienne.Réemment,V.Minerbe[9℄,ens'appuyantsurlaméthodedeE.Witten,a
établilethéorèmedemassepositivepourdesvariétésomplètesnonompatesasymptotiques
à une bration en erles surune base eulidienne,dont les bres sontasymptotiquement de
longueur onstante.
Dans et artile, nous allons nous intéresser au as d'une variété
M
munie d'une lasseonforme
c
.Nousallonsalorsgénéraliserlanotiondeplatitudeasymptotiqueauxstruturesde Weylsur(M, c)
.Nousdironsque(M, c, D)
estunestruturedeWeylasymptotiquementplate lorsqueD
est une onnexion de Weyl sur(M, c)
et s'il existe une métriqueg
dans la lasseonforme
c
telles que la variété riemannienne(M, g)
est asymptotiquement plate et que la1
-formedeLee deD
relative àg
possède unbon omportement asymptotiqueàl'inni.Nous dénirons alors une notion de masse assoiée à ette struture généralisant la masse d'unevariété asymptotiquement plate. Nous verrons que ette masse est invariante pour ertaines
sous-lasses de métriques de la lasse onforme et nous étudierons la façon dont elle évolue
par passage d'une lasseà l'autre.
Dansleadredelathéoriedesspineursàpoids,P.Gauduhon[6℄etA.Moroianu[10 ℄ont
établilaformuledeLihnerowizonformepourlesstruturesdeWeylsurlesbrésdespineurs
à poids. La masse des strutures de Weyl asymptotiquement plates apparaît naturellement
dans l'intégrale du terme de bord de ette formule. Ce alul nous permet de montrer sa
positivitédansleasoù laourbure salaire de laonnexionde Weyl estpositive.
Nousommeneronspar desrappels degéométrie onforme surlesstruturesde Weyl,et
les spineurs à poids. Nous démontrerons la formule de Lihnerowiz onforme et donnerons
l'expression de son terme de bord. Après de brefs rappels dans le adre riemannien, nous
dénirons ensuite ave préision la notion de struture onforme asymptotiquement plate et
de la masse assoiée en donnant ses propriétés d'invariane. Enn, nous établirons sur le
modèlede la démonstration de E. Witten un théorème de massepositive pour les strutures
de Weylasymptotiquement platessur desvariétés spinorielles.
Ce texte onstitue une partie de ma thèse dirigée par Paul Gauduhon et de Andrei
Moroianu.Je lesremerie vivement pour leurs idéesetpour toutletempsqu'ilsm'aordent.
1 Poids onformes et spineurs
Sauf mention ontraire, les variétés, lesmétriques et lessetions des diérentsbrés on-
sidérés seront
C ∞
.1.1 Strutures de Weyl
Soit
M
unevariétéorientéededimensionn
,munied'unestrutureonformedéniepositivec
.Rappelonsquelquesfaitsdegéométrieonformeandepouvoirdénirlanotiondestruturede Weyl,introduite parHermann Weyldans[13 ℄.Nousnoterons
T M
etT ∗ M
respetivement lesbréstangentetotangentdeM
,Gl(M )
(Gl + (M )
)lebrédesrepères(orientés)deT M
etCO(M)
lesous-brédeGl(M )
desrepèresc
-orthonormés.LebréCO(M )
quenousappelonsbrédesrepèresonformesestunbréprinipalsur
M
dontlegroupestruturalestlegroupeonforme
CO(n) = O(n) × R >0
,oùR >0
est l'ensemble des réels positifs non nuls. Sur toute variété diérentiableM
de dimensionn
, nouspouvons dénir une familleL (k)
,pourk ∈ R
, debrés endroites réelles surM
par :L (k) = Gl(M ) × |det |
k/nR
Nousdironsque
L (k)
estlebrédessalairesdepoidsk
.NotonsL
lessalairesdepoids1
.Pourk ∈ N
,L (k)
estlapuissanetensoriellek
-ièmedeL
.Cesbréssontnaturellement orientables, dontriviaux. Deplus, lorsque lavariétéestmunied'unestrutureonforme, nousavonsunerédutionaubré des repèreonformes:
L (k) = CO(M ) × |det |
k/nR
Si
ν
estunereprésentation dugroupeCO(n)
surun espaevetorielV
,larestrition deν
ausous-groupedesréels stritement positifs
R >0
estde laforme:ν (a) = a k Id
pour
a ∈ R >0
et oùId
est l'identité deV
. Nous dirons que le réelk
est le poids onformede la représentation
ν
. SoitGl(n)
(Gl + (n)
) le groupe des isomorphismes (orientés) deR n
. Lesbrés vetoriels sur(M, c)
assoiés àGl(M)
etobtenus par une représentation deGl(n)
possèdent unpoids onforme naturel qui estlepoids dela restritionde ette représentation
au sous-groupe onforme
CO(n)
. Ave ette onvention, les brés tangent, otangent et desp
-formes surM
sont respetivement de poids naturels+1
,−1
et−p
. Le réelk
du bréL (k)
estlepoids del'ation de
R >0
.Ilest failedevoirquele poidsnaturel d'unproduittensoriel est la somme des poids des fateurs onstituant e produit. Par exemple, le poids onformenaturelde
T ∗ M ⊗ T ∗ M
est−2
.Le omplémentaire de la setion nulle du bré
L (k)
possède deux omposantes onnexesquisont données par :
L (k) + = CO(M ) × |det |
k/nR >0
etL (k) − = CO(M ) × | det |
k/nR <0
Nousutiliserons aussilebré omplexié
L (k) C
du bré dessalaires àpoidsL (k)
.Dénition 1.1.1. Unestruture de Weyl sur une variétéonforme
(M, c)
est une onnexionlinéaire sanstorsion sur
T M
induite par une onnexionCO(n)
-équivariante surCO(M )
.Lethéorème fondamentalde lagéométrie onformede H.Weyl[7℄ estlesuivant (f.aussi
[13 ℄et[4 ℄):
Théorème 1.1.2. L'appliation qui, à toute onnexion linéaire
D
surT M
assoie la on-nexion induite
∇ D
surL
détermine, par restrition, un isomorphisme ane de l'espae des strutures deWeyl surT M
sur l'espae des onnetions linéaires surL
.Soient
D
unestruturede Weyl surT M
et∇ D
saonnexionlinéaire assoiéesurL
.Nousavonslaformulede Koszul généraliséesuivante:
2c(D X Y, Z) = ∇ D X c(Y, Z)
+ ∇ D Y c(Z, X)
− ∇ D Z c(Y, X ) +c(Z, [X, Y ]) − c(Y, [X, Z ]) − c(X, [Y, Z])
Cetteformule démontrel'existene etl'uniitéde
D
étant donné∇ D
.Soit
D ′
uneautrestruturedeWeyl surM
,ave∇ D
′ saonnexionlinéairesurL
assoiée.La diérene
∇ D − ∇ D
′ est une1
-formeθ
surT M
. L'isomorphisme entre les strutures de Weyl etlesonnexions linéairessurL
nousdonne larelation suivante:D X Y = D X ′ Y + θ(X)Y + (θ ∧ X)(Y )
(1)L'endomorphisme antisymétrique
θ ∧ X
deT M
estdéni par :(θ ∧ X)(Y ) = θ(X)Y − g(X, Y )θ ♯
où
g
est une métrique quelonque dans la lasse onforme, et oùθ ♯
est le dual riemanniende
θ
relativement àg
.En partiulier, nous pouvonsassoier à une métrique riemannienneg
danslalasse onforme sa
1
-formede Lee, notéeθ g
,dénie parθ g = ∇ D − ∇ g
,où∇ g
estlaonnexionlinéairesur
L
induiteparlaonnexiondeLevi-Civitadeg
.NotonsquelaonnexiondeLevi-Civitad'une métrique
g
dansc
,notéeD g
,est une struturede Weyl surT M
.Dénition1.1.3. UnestruturedeWeyl
D
estfermée(respetivementexate)sisaonnexion linéaireassoiée∇ D
surlebréL
estplate(respetivementsiL
admetunesetionglobale∇ D
-parallèle).Demanière équivalente,unestruture deWeyl
D
estfermée(respetivementexate) siD
est loalement (respetivement globalement) la onnexion de Levi-Civita d'unemétrique dans la lasseonforme.Rappelons que la lasse onforme
c
est une setion du bréS 2 (T ∗ M ) ⊗ L (2)
telle que,pourtouthampdeveteurs
X
,c(X, X)
estune setiondeL (2) +
.La famille{e i } i=1...n
estunebase
c
-orthonorméedeT M
s'ilexiste unesetionpositivel
deL
tellequec(e i , e j ) = δ ij l 2
.Enpartiulier, labaseduale
{e ∗ i }
de{e i }
estdonnée par :e ∗ i (X) = c(e i , X)l −2
Nouspouvonsétendre les isomorphismes musiaux dansleadre onforme :nous dénissons
d'une part
♭
:T M → T ∗ M ⊗ L (2)
par :X ♭ = c(X, ·)
pour toutveteur
X
deT M
.D'autrepart,♯
:T ∗ M → T M ⊗ L (−2)
déni par :α = c(α ♯ , ·)
pour toute
1
-formeα
surM
.Par onséquent, nousavons l'identiation suivante:T ∗ M ⊗ T ∗ M ∼ = T ∗ M ⊗ T M ⊗ L (−2)
Parontrationdesformesetdesveteurs,nousobtenonsalorsuneappliationde
T ∗ M ⊗T ∗ M
dans
L (−2)
:'estlatrae onforme desformesbilinéaires symétriques.Pour tous
X
,Y
etZ
veteurs deT M
, nous dénissons le tenseur de ourbure de lastruturede Weyl
D
,quenousnotonsR D
,par :R D X,Y Z = [D X , D Y ]Z − D [X,Y ] Z
Nouspouvonsvoir
R D
ommeunesetiondubréT ∗ M ⊗
3⊗ T M
.NousdénissonsalorsRic D
letenseur deRii de lastruture de Weyl
D
par :Ric D (X, Y ) = trace(Z 7→ R D Z,X Y )
pour
X
etY
veteurs deT M
. Le tenseur de Rii est une setion du bréT ∗ M ⊗ T ∗ M
.Enappliquant latraeonforme surletenseur de Rii,nous obtenonsune setion de
L (−2)
.Cettesetion, quenousnotons
Scal D
,estlaourbure salaire de lastruture deWeyl.Nous avons une orrespondane entre les métriques riemanniennes dans
c
et les setionsdu bré
L 2 +
:une métrique riemannienneg
etla setionl 2
du bréL (2) +
orrespondantesont reliéespar :c = g ⊗ l 2
Lehoixd'unemétriquedanslalasseonformedétermine,àunélémentdugroupeorthogonal
O(n)
près, unrepèreorthonorméauvoisinagede haque point deM
.Cependant, unesetionl k
du bréL (k)
est une lasse d'équivalene sous l'ation deGl(n)
de la forme[s, v]
, oùs
estun repèreloal de
T M
etv
une fontion surM
.Par onséquent,lorsqu'une métriqueestxée dans la lasse onforme, les setions des brés
L (k)
s'identient à des fontions sur la variété. Soitg
unemétriquedanslasse onforme;lastruturede WeylD
etlaonnexion deLevi-Civita
D g
sont liées viala1
-forme deLeeθ g
par laformule suivante:D X Y = D g X Y + θ g (X)Y + (θ g ∧ X)(Y )
(2)Ainsi,laourbure salairede
D
s'identie, vialatrivialisation deL
parg
,à une fontionsurM
par laformulesuivante [7℄:Scal D = Scal g − 2(n − 1)tr g (D g θ g ) − (n − 1)(n − 2)|θ g | 2 g
(3)où
Scal g
est la ourbure salaire de la onnexionde Levi-CivitaD g
ettr g
la trae relative àlamétrique
g
.Pour plusd'information onernant lesstrutures deWeyl,leleteur intéressé pourraonsulter [7℄.1.2 Spineurs onformes
Soit
M
une variété spinorielle de dimensionn
[5℄. L'algèbre de Cliord réelleCl n
asso-iéeà l'espae
( R n , k k)
eulidien est l'unique algèbre réelle, à isomorphismeprès, vériant la propriété universelle suivante : pour touteR
-algèbre assoiative unitaireA
, une appliationlinéaire
v
deR n
dansA
telle quev(x) 2 = −kxk 2 1 A
, pour toutx
deR n
, s'étend de façon unique enun morphismed'algèbres deCl n
dansA
.SoientSpin(n) ⊂ Cl n
legroupe spinorielet
λ
:Spin(n) → SO(n)
le revêtement à deux feuillets du groupe spéial orthogonalSO(n)
.Soit
µ
:Spin(n) → Aut(∆ n )
lareprésentation spinorielle deSpin(n)
surl'espae desspineurs∆ n
.Lareprésentation spinorielleestlarestritiondelareprésentationde l'algèbredeCliordCl n
sur l'espae∆ n
. Cette représentation induit une ation deCl n
sur∆ n
(ette ation estaussi appelé multipliation de Cliord). En partiulier, nous avons une inlusion anonique
de
R n
dansCl n
,don une ation deR n
sur∆ n
.Nous notonsx · ξ
etation de Cliord, oùx ∈ Cl n
etξ ∈ ∆ n
. Rappelons qu'il existe un isomorphisme d'espae vetoriel entreCl n
etl'algèbre extérieure
Λ ∗ R n
deR n
donné par :Λ ∗ R n → Cl n e i
1∧ . . . ∧ e i
k7→ e i
1· · · e i
koù
(e 1 , . . . , e n )
estunebasedeR n
.Notonsquev∧
etvy
sontrespetivementleproduitextérieur etintérieur parv
surM
.Nousavonspour l'ation de Cliordl'identiation suivante:x · (ω · ξ) = (x ∧ ω) · ξ − xyω · ξ
où
x ∈ R n
,ω ∈ Λ ∗ R n
etξ ∈ ∆ n
.La multipliation de Cliordestun morphismedeSpin(n)
-représentations,
i.e.
:µ(γ)(x · ξ) = (λ(γ)x) · (µ(γ)ξ)
pour
γ ∈ Spin(n)
,x ∈ R n
etξ ∈ ∆ n
.Soitg
unemétriqueriemanniennesurM
.Une struturespin
sur(M, g)
étant hoisie, notonsSpin g (M)
leSpin(n)
-bré prinipal au-dessus du brédes repères
g
-orthonormés diretsSO g (M)
. Le bré des spineurs relatif à la métriqueg
estdénipar :
Σ g = Spin g (M) × µ ∆ n
Pour plus de détails onernant la géométrie spinorielle dans le adre riemannien, le leteur
pourraonsulter [5℄.
Nousdénissons legroupespinorielonforme
CSpin(n)
ommeleproduitSpin(n) × R >0
. Pour toute γ ∈ CSpin(n)
,nousérirons:e γ = aγ
où
a ∈ R +
etγ ∈ Spin(n)
sontuniquementdéterminés.SoitCO + (n)
;nousavonslemorphismedegroupes
e λ
:CSpin(n) → CO + (n)
déniommeleproduitdeλ
etdel'identitédeR >0
etoùCO + (n) = SO(n) × R >0
.Soitk ∈ R
.La représentation spinorielleonforme de poidsk
,notéeµ (k)
,estlareprésentation linéaire deCSpin(n)
surl'espae desspineurs∆ n
dénie par:µ (k) ( e γ ) = a k µ(γ )
pour tout
e γ
dansCSpin(n)
. Dela même façon que la représentation spinorielle, nous avons unerelationdeompatibilitéentrelamultipliation deCliordetlareprésentation spinorielleonforme depoids
k
.Poure γ ∈ CSpin(n)
,x ∈ R n
etξ ∈ ∆ n
,nousavons:µ (k) ( e γ)(x · ξ) =
e λ( e γ)x
·
µ (k) ( e γ)ξ
Lebrévetorieldes spineursde poids onforme
k
est dénipar :Σ (k) = CSpin(M ) × µ
(k)∆ n
Nousavons l'identiation suivante:
Σ (k) ∼ = Σ (0) ⊗ L (k)
L'ationde Cliordde
T M
surl'espaedes spineursà poids estl'appliationT M ⊗ Σ (k) → Σ (k+1) X ⊗ ψ 7→ X · ψ
déniepar :
X · ψ = [ e s, x · ξ]
où
ψ
etX
sont respetivement représentés par[ e s, ξ]
et[s, x]
,aves e
un repère deCSpin(M )
,s = e λ( e s)
etx ∈ R n
.Proposition 1.2.1. Pour tout
g ∈ c
, et toutk ∈ R
, il existe un isomorphisme anonique deΣ g
dansΣ (k)
.Démonstration. Unemétrique
g
danslalasseonformedénitunerédutiondubréCSpin(M )
à
Spin g (M )
.Dans e as,nousavons:CSpin(M ) × µ
(k)∆ n = Spin g (M ) × µ ∆ n
puisque
µ
est lerestritionde lareprésentationµ (k)
augroupeSpin(n)
.Soient
g ∈ c
ete g = f −2 g
, avef
une fontion réelle non nulle surM
. La proposition préédentenousdonne une famille d'isomorphismesΦ (k) : Σ g M → Σ e g M [ e s, v] 7→ [ e sf, f −k v]
pour tout
k ∈ R
. Soith , i
le produit salaire hermitien sur∆ n
ompatible ave l'ation deCliord. Notons
( , ) g
le produit salaire hermitienSpin(n)
-invariant surΣ g
induit parh , i
.Lesisomorphismes
Φ (k)
ne sont pasdesisométries:|Φ (k) ψ| e g = f −2k |ψ| g
Nousdénissonsune appliation bilinéaire
h
par :h : Σ (k
1) ⊗ Σ (k
2) → L (k C
1+k
2) ψ ⊗ ϕ 7→ [s, hu, vi]
où
ψ
etϕ
sont représentés respetivement par[ e s, ξ]
et[ e s, ζ]
et oùs
est le projeté dee s
surCO(M)
.Proposition1.2.2.L'appliationbilinéaire
h
estbiendénieetpourtousX ∈ T M
,ψ ∈ Σ (k
1)
et
ϕ ∈ Σ (k
2)
, nous avons:h(X · ψ, ϕ) = −h(ψ, X · ϕ) ∈ L (k C
1+k
2−1)
Démonstration. En hangeant lerepère
e s
pare s · e γ −1
,oùγ e ∈ CSpin(n)
,nousobtenonshµ (k
1) ( e γ)ξ, µ (k
2) ( γ e )ζ i = ha k
1µ(γ )ξ, a k
2µ(γ)ζ i
= a k
1+k
2hµ(γ)ξ, µ(γ)ζi
= a k
1+k
2hξ, ζi
= (det γ e ) (k
1+k
2)/n hξ, ζi
Ce alul montre que
[s, hξ 1 , ξ 2 i]
est une setion deL (k C
1+k
2)
et don queh
est bien dénie.Pour
ξ
,ζ ∈ ∆ n
etx ∈ R n
,leproduit salaire hermitiensur∆ n
vérie :hx · ξ, ζ i = −hξ, x · ζ i
Par dénitionde lamultipliationde Cliorddesspineurs àpoids,ilestlair que
h
vérielamême relation.
Lessetionsdubré
L (−n) C
sontdesdensitésd'intégrationsurM
.Pourk 1 + k 2 = −n
,nousdénissons une appliation sesquilinéaire