1 ETUDE DE LA RIGIDITE DES FLOTS GEODESIQUES : CAS DE LA SPHERE ET DU PLAN HYPERBOLIQUE KALALA MUTOMBO Franck Département de Mathématiques, Faculté des Sciences, Université de Lubumbashi Résumé Les géodésiques sont une généralisation de ce qu’une droite ou segment de droite sont dans le plan. Etant donné deux points suffisamment proches l’un de l’autre, la géodésique est le plus court chemin qui les relie. Les géodésiques sont pour les variétés riemanniennes ce que sont les segments de droites pour les variétés affines. Dans le plan, les géodésiques sont des droites tandis que sur la sphère, les géodésiques sont les grands cercles. Les variétés riemanniennes offrent un cadre très général de la Mécanique hamiltonienne avec les géodésiques comme trajectoires désirées. Dans ce cas, l’aspect intéressant est d’arriver à caractériser le comportement des géodésiques pour tout intervalle de temps. Cette perspective combinant la dynamique et la géométrie est très fructueuse et d’actualité. Ceci peut être rendu possible en étudiant les géodésiques périodiques ou les flots géodésiques sur une variété riemannienne. Le flot géodésique sur une variété riemannienne M est un groupe à un paramètre des difféomorphismes du fibré tangent TM à M. L’ensemble TM est l’espace des phases du flot et est donc l’ensemble dont les éléments sont constitués des positions et de vitesses de tous les points de la variété M. Dans cet article nous examinerons la rigidité des flots géodésiques uniquement pour les cas de la sphère et du plan hyperbolique. Le flot est rigide dans le cas de la sphère mais ne l’est pas pour le plan hyperbolique. 2 I. Concepts de base Définition I.1 : Courbes géodésiques Soit une variété différentiables (M, ∇) munie d’une connexion Une courbe paramétrée γ : I → M est appelée une géodésique en un point ∇γ d dt dγ =0 dt to ∈ Ι si pour t = to (1.1) . . ∇γ γ =0 Ou (1.2) La courbe γ est une géodésique sur I si elle est une géodésique pour tout point t ∈ Ι . En coordonnées locales (x1,…,xn ) , nous avons γ (t)= (x1(t),…,xn(t)) . . . . γ = ( x1,..., x n) = ∑ x i i (1.3) Il vient alors . . ∇γ γ = ( . . = ∑ ∇γ ( x i ) i = ∑( i . ∂ . ∇γ ∑ x i i . . γ ( x i) ∂xi ∂ ∂xi ∂ ∂xi ) . . + ∑ x i ∇γ ( i . . + x i ∇γ ( ∂ ∂xi ∂ ∂xi )) . . dγ . ∂ ∂ ( x i) + xi ∇x j ∂ ) = ∑( ∂xi ∂ x i dt ∂x j i ) ∂ ∂xi 3 . . d . ∂ ∂ ( x i) + xi ∑ x j ∇ ∂ ) = ∑( dt ∂xi i j ∂x j ∂xi ∂ .. = ∑ (( x i ) i . . ∂xi + ∑ x i x j (∑ Γijk ∇ Κ j ∂ ∂x k )) .. = . . ∑ ( xi + ∑ Γ xi x j) k i, j k ij ∂ ∂x k (1.4) . . ∇γ γ =0 La courbe γ est une géodésique si i.e d x k + n k d xi d x j = 0 ∑ Γ ij d t 2 i, j dt dt 2 k=1,..,n (1.5) Ce sont là les équations différentielles du second ordre d’une géodésique γ(t)= ((x 1(t),…,xn(t)) Κ d’une connexion dont les coefficients sont les symboles de Christoffel Γij . Introduisons maintenant une métrique riemannienne g sur (M, ∇) qui soit compatible avec ∇ i.e Xg(Y, Z) =g ( ∇ Χ Υ , Z) +g(Y, ∇Χ Ζ ) Si γ : I→M est une géodésique alors . . . . . . . . ∇γ g (γ , γ ) = g (∇γ , γ ) + g (γ , ∇γ γ ) =2g( . . ∇γ , γ ) = 0 ( 1.6) Ainsi la longueur du vecteur vitesse dγ est une constante par rapport au temps. dt De même que l’accélération est toujours nulle sur une droite d’un espace euclidien, de même la géodésique peut être aussi définie comme une courbe à accélération nulle. Posons | dγ | =cte=c et prenons to=0 l’origine des temps. Alors la longueur de l’arc dt géodésique entre 0 et t est égale à : 4 (long γ ) = 1 2 dγ dγ , ) dt = ∫0 ∫ g ( dt dt a b t || dγ dt || dt =ct (1.7) t s(t) = ∫ || 0 dγ dt || dt =ct (1.8) Donc le paramètre d’une géodésique est proportionnel à la longueur de l’arc géodésique. Définition I.2 On dit qu’une géodésique est paramétrée par la longueur d’arc ou par le paramètre naturel si on a choisit dγ =c= 1. dt Il est naturel d’associer pour son traitement aux systèmes de n équations différentielles du second ordre (1.1) un système de 2n équations différentielles de premier ordre. Pour obtenir ce dernier système considérons le fibré tangent de la variété M. Soit (U, x) un système de coordonnées de M. Alors TU =U × Rn i.e que le fibré peut s’écrire localement comme une variété produit. (On dit qu’il est localement trivialisable). Toute courbe γ : I→M détermine une courbe t→ (γ (t), dγ ) dans TM dt Si γ est Une géodésique sur U, alors sur TU la courbe t→(x1(t),…,xn(t), d d x1 (t ),..., xn (t )) dt dt est une solution du système d’équations d xΚ = yΚ dt (1.9) d yΚ = −∑ ΓijΚ yi y j dt k=1,…,n Ecrites dans les coordonnées (x1,…,xn ,y1,…,yn ) sur TU. Le système d’équations (1.5) est équivalent au système (1.9) sur TU lorsque (1.5) est définit sur U. 5 Définition I.3 : Le flot géodésique L’ensemble de tous les vecteurs unitaires tangents à une variété riemannienne M est appelé fibré tangent unitaire et noté par UM. (Berger, 2002) C’est un sous fibré du fibré tangent TM. La projection canonique est donnée par p: UM→M Le flot géodésique sur UM est le groupe à un paramètre G t de difféomorphisme de UM définit comme suit : G t(v)= γ v (t ) ' (1.10) Le flot géodésique aussi noté (UM, G t), est le couple formé par le fibré tangent unitaire et d’un groupe à un paramètre de difféomorphismes de UM. La variété UM est appelée espace des phases (ou des états) du flot. (Arnold 1974) En particulier le fibré a une forme volume noté par ω qui est un invariante sous le flot géodésique. (Iglesias ,1998) 6 Définition I.4 : Mouvement sous l’action d’un flot Soit x ∈ UM un point quelconque de l’espace des phases. Considérons l’application : t →UM, γ (t ) =Gt(x). (1.11) On appelle mouvement du point x sous l’action du flot (UM, G t) l’application (1.11) de l’axe réel sur l’espace des phases. Définition I.5 : Orbite On appelle orbite du flot (UM, Gt) l’image de l’application (1.11). Par conséquent une orbite est un sous ensemble de l’espace des phases. Les trajectoires des flots géodésiques sont eux-mêmes des géodésiques et se projettent sur les géodésiques de M. (Berger 2002) Proposition I.6 Si γ : t → M est une géodésique sur une variété M, alors il existe un champ des vecteurs G t sur TM dont le flot (groupe local à un paramètre) est de la forme t→ ( γ (t ), . γ (t )) . Le champ de vecteurs Gt ainsi définit est appelée le champ géodésique et son flot le flot géodésique. Remarque Pour connaître de façon unique une géodésique, il importe de connaître ses conditions initiales i.e le point p par lequel il passe à un instant initial t 0 =0 et avec quelle vitesse v =( dγ )(0) elle passe en ce point. On peut résumer cette considération de la façon suivante : dt Soit M une variété différentiable et p ∈ Μ . Alors il existe un ouvert V contenant p et contenu dans M, les nombres réels δ >0 et ε >0, Ω = { ( p, v ) / p ∈ V , v ∈ T P M , v < ε telle que la courbe t →γ (t , p, v ) ou } une fonction C∞ γ : (−δ , δ ) × Μ → Μ avec γ v (t )( p) soit 7 l’unique géodésique de M qui passe au temps t=0 par p avec la vitesse v pour chaque (p,v) ∈ Τ pΜ avec la restriction Ainsi dire que v <εsignifie v <ε . que la géodésique γ (t , p, v ) existe sur l’intervalle ( −δ, δ) et est unique. Définition I.7 : Champ de vecteurs complets Un champ de vecteurs X sur M est dit complet s’il engendre un groupe global (local) à un paramètre de transformations sur M. Définition I.8 : Systèmes dynamiques Un système dynamique discret est un espace mesuré (X, µ ) munie d’une application continue f : X → X qui préserve la mesure. Dans certains cas il n’est pas obligé que l’application f soit continue ni d’être bijective. Ce qui est intéressant dans un système dynamique discret est le comportement des états f k lorsque k tend vers l’infini. Rappelons que le flot géodésique est l’ensemble formé par la collection des applications Gt ( t nombre réel) qui agit sur le fibré tangent UM comme suit : Gt (v) est la vitesse au point γ v (t ) de la géodésique γ dont le vecteur vitesse initiale est précisément v. Dans toute cette étude un fait fondamental est le théorème de Liouville selon lequel le flot géodésique laisse invariant la structure canonique symplectique de UM et donc ainsi la mesure attachée. Ainsi donc nous avons un système dynamique naturel en géométrie riemannienne. Nous considérerons le flot géodésique {Gt/ t ∈ R } du fibré tangent UM d’une variété riemannienne. C’est un système dynamique continu. Notons aussi que nous ne faisons aucune distinction entre une géodésique dans la variété M et son image dans UM, bien sur l’ensemble de ses vecteurs vitesses. Quand nous parlerons en diverses occasions, des notions de système dynamique à propos des variétés riemanniennes, nous comprendrons toujours par système dynamique le flot géodésique et nous travaillerons avec la mesure de Liouville sur UM. (Berger ,2002). 8 Définition I.9 : Moyenne temporelle et spatiale Soit une fonction numérique F : UM → R et v ∈ UM La valeur moyenne du temps ou moyenne temporelle est donnée par 1L ∫ F (G t (v ))dt L L →∞ 0 F ∗(v ) = lim et (1.12) La valeur moyenne de l’espace ou moyenne spatiale est donnée par < F >= ∫ Fµ UM (1.13) Théorème I.10 (Birkoff) La valeur moyenne du temps ∗ F (v) d’une fonction mesurable F : UM → R existe presque partout sauf sur un ensemble de mesure nulle et ∗ ∫ F (v ) µ = ∫ F µ UΜ UΜ Pour un système discret il suffit de remplacer la valeur du temps moyen temps par une somme finie. Il est essentiel en physique d’avoir une certaine idée de quand la valeur moyenne du temps sera égale à la moyenne de l’espace approximativement pour un temps assez long. Définition I.11 : Entropie volumique Soit (M, g) une variété Riemannienne compacte de revêtement universel Μ. Si p ∈Μon note B( p , R) une boule métrique la boule géodésique de centre p et de rayon R dans Μ. Alors la limite 1 log volB ( p, R ) R →∞ R lim (1.14) Existe et ne dépend pas du point du choix de p . On l’appelle entropie volumique de la métrique g, et on la note hvol(g). (Pansu, 1997). Nous remarquons que le flot géodésique est sous silence ici. 9 Définition I.12 : Entropie topologique Lorsque M est une variété riemannienne compacte son entropie volumique est intimement liée à un invariant du flot géodésique, son entropie topologique. Celle ci mesure la complexité des orbites au moyen du volume de l’espace des morceaux d’orbites de longueurs données. Soit M un espace métrique compact, Gt un groupe à un paramètre d’homéomorphisme de M. Sur l’espace MT des morceaux d’orbites de longueurs T (qui s’identifie à M), on a une distance naturelle. dT =sup{d(Gt(m1),Gt(m2)) : 0≤t≤T} Fixons δ > 0 et définissons le ‘volume’ (1.15) volδ (ΜΤ) comme le nombre minimum de boules de rayon δ nécessaire pour couvrir MT. Ce nombre croît souvent exponentiellement, avec un exposant hδ = lim sup Τ→+∞ 1 log vol g (ΜΤ) Τ (1.16) L’entropie topologique du flot Gt est la limite de hδ quand δ tend vers 0. htop (Gt)= lim hδ δ →0 (1.17) Elle ne dépend pas de la distance choisie sur M. On dit que l’entropie topologique est un invariant de conjugaison Co. Lorsque M est le fibré tangent d’une variété riemannienne compacte, et G t le flot géodésique, l’espace MT ressemble à une boule de rayon T du revêtement universel. La comparaison précise est due aux travaux réalisés respectivement par Dinaburg (1971) et Manning (1979) et ce conformément au théorème ci dessous (Pansu, 1997). Théorème I.13 Soit M une variété riemannienne compacte, de flot géodésique Gt. 10 Alors htop (G t ) ≥ hvol ( M ) . Si de plus la courbure de M est négative ou nulle, htop (Gt ) = hvol ( M ) Théorème I.14 (Besson et al. ,1995) Soient X et Y deux variétés compactes orientées de même dimension n ≥ 3 . On suppose que X admet une métrique riemannienne localement symétrique g o. Soit g une métrique riemannienne sur Y dont l’entropie volumique est égale à celle de g o (on peut toujours se ramener à ce cas en multipliant g par une constante). Soit f : Y→X une application de degré d. Alors vol(g) ≥ d vol(go) (1.18) Si l’égalité à lieu, alors f est homotope à un revêtement isométrique. Proposition I.15 (Besson G. et al, 1996) Soit ∂f : ∂Y →∂X un homéomorphisme. Son extension barycentrique F : Y →X diminue le volume. Si en point y ∈Y , dyF préserve le volume alors dyF est une isométrie. II. Rigidité des flots géodésiques Le théorème (I.14) caractérise les métriques localement symétriques par une relation entre leur volume et leur entropie volumique. Ces deux quantités dépendent du flot géodésique. Par conséquent on peut reconnaître à son flot géodésique qu’une métrique est localement symétrique. Définition II.16 : Flots conjugués Les flots géodésiques de deux variétés riemanniennes (M, g) et (N, h) sont dits conjugués (ou indistingables ou identiques) s’il existe une application f :UM→UN qui commute avec les flots géodésiques GtM et GtN . C’est à dire f o GtM= GtN o f. (1.19) 11 Le problème de rigidité est un problème inverse : étant donné une variété riemannienne M avec certaines conditions spéciales par exemple sur la courbure. Nous voudrions avoir quelques informations sur le flot géodésique. Inversement nous essayerons de déduire certaines données géométriques (par exemple la métrique) à partir de la connaissance du flot géodésique et répondre en particulier à l’unique question suivante : Deux variétés riemanniennes ayant des flots géodésiques conjugués (identiques) sont–il nécessairement isométriques ? Pour répondre à cette question nous allons d’abord considérer quelques illustrations en courbure positive puis en courbure négative. 12 1. En n courbure positive Considérons l’équation générale des surfaces de révolution suivante : r(u,v)=(g(u)cosv, g(u)sinv, f(u)) et déterminons les géodésiques et les flots géodésiques. Sa métrique est donnée par ds²=(g1²(u)+f1²(u))du² + g²(u)dv² où g1 (u ) = ∂g (u ) ∂u f 1 (u ) = ∂f∂(uu ) =v g12 + f 12 0 e 0 = g = 2 0 g2 g 0 g11 = g12 + f 12 =e , où e= g12 + g12 = g 21 = 0 f 12 , g 2 = g 2 (u ) g 22 = g 2 , Les symboles de Christoffel sont données par: Γ 111 = 1 ∂ g11 1 de = 1 2 g11 ∂ x 2e du , 2 = Γ 11 − 1 ∂ g11 =0 2 2 g 22 ∂ x 2 = Γ 221 = Γ 12 1 ∂ g 22 = 0, 2 g 22 ∂ x1 2 = Γ 221 = Γ 12 1 ∂ g 22 1 dg 2 1 ∂ g 22 = = 0. , Γ 22 = 1 2 2 g 22 ∂ x g (u ) du 2 g 22 ∂ x Γ 122 = 1 ∂ g 22 g (u ) dg − = − 2 g11 ∂ x1 e(u ) du Les géodésiques sont solutions du système d’équations différentielles suivant : 1 de du 2 g (u ) dv 2 + + =0 2 2e du dt e(u ) dt dt d2u d2v dt 2 + 2 dg dv =0 g (u ) dt dt (2) peut s’écrire : (1) (2) x1=u , x2 13 d dv (g2 ) = 0 dt dt si alors dv =0 dt ⇒ g2 dv = α =cte dt , et v = cte, les méridiens sont les géodésiques, exactement ce que nous avions trouvé pour la sphère ci-dessus. Maintenant supposons que α >0 alors g2 dv = α se réduit à dt g 4 d v 2 = α 2 d t 2 = α 2 ((g1²(u)+f1²(u))du² + g²(u)dv²) (3) (Pour une géodésique la longueur de l’arc est proportionnelle au paramètre t , s=t , ds=dt ) (3) peut encore s’écrire : g²(g²- α² )dv² = α² (f1²+g1²)du² ou ± g g 2 − α 2 dv = α (f1²+g1²)du (4) En séparant les variables et en intégrant on a : ∫ dv = ± α ∫ ( f 12 + g12) g ( g 2 − α 2) v = αφ(u, α) + β où du + β α et β sont des constantes d’intégrations. En particulier dans (4) si g²= α² du =0 et u=cte les parallèles sont des géodésiques comme pour la sphère ci-dessus et (1) est satisfaite. Donc toutes les surfaces de révolution ont toutes leurs géodésiques fermées et de même longueur 2 π . Elles ont donc le même flot géodésique que la sphère standard, les surfaces de Zoll. (Besse, 1978). Par contre toutes les surfaces de révolution ne sont pas pour autant isométriques entre elles, nous pouvons citer par exemple le cas de la sphère et du cylindre. 2. En courbure négative Considérons le plan R² munie de la métrique canonique ds²= dx²+dy² Le demi plan de Poincarré H= { ( x, y ) / y > 0 } munie de la métrique ds²= (1/y²)(dx²+dy²). Le plan et de courbure nulle et ses géodésiques sont des segments de droite. Le demi plan de Poincarré est de courbure négative (-1) et à pour géodésiques des segments de droites verticales et donc le même flot géodésique que pour le plan. Comme on peut bien le voir à partir de leur métrique, le plan et le demi plan de Poincarré sont isométriques. Il semble alors que alors que le flot géodésique soit plutôt rigide en courbure négative ou nulle. Corollaire II.17 (Foulon et al, 1992) 14 Soient X et Y des variétés riemanniennes compactes dont les flots géodésiques sont C1conjugués. On suppose que la métrique de X est localement symétrique à courbure strictement négative. Alors les métriques de X et Y sont isométriques. Preuve On montre d’abord que vol (X) = vol (Y).( Foulon et al, 1992). En effet supposons qu’il existe un difféomorphisme entre les fibrés tangents qui échange les flots géodésiques. Ce difféomorphisme préserve le champ de vecteurs X qui engendrent le flot géodésique, il préserve le feuilletage stable et instable, donc leurs espaces tangents E + et E-, donc il préserve la 1-forme différentielle ω qui s’annule sur E + + E- et qui vaut 1 sur X. Or ω et la forme de Liouville, et ω (dω) n-1 est l’élément de volume sur le fibré unitaire tangent. Par conséquent, le volume est préservé. Ensuite X et Y ont même groupe d’homotopie. En effet en dimension supérieure à 2, une conjugaison est en particulier un homéomorphisme entre les fibrés unitaires tangents. En dimension supérieure à 2, le fibré tangent unitaire de X a même groupe fondamental que X. Enfin d’après le théorème (I.14) nous avons : htop (Y)nVol(Y) ≥ hvol (Y)n Vol(Y) (i) hvol (Y)n Vol(Y) ≥ hvol(X)n Vol(X) (ii) hvol(X)n Vol(X) = htop(X)nVol(X) (iii) (i) ,(ii),(iii) implique que htop(Y)nVol(Y) ≥ htop(X)nVol(X) (iv) Comme vol(X) = vol(Y), et avec (iv) on a htop(Y)n = htop(X)n donc htop(Y) = htop(X) . Comme l’entropie topologique et le volume sont conservés, le cas d’égalité du théorème (I.14) est réalisé, donc X et Y sont isométrique. Corollaire II.18 Si le feuilletage stable d’une variété riemannienne compacte X de courbure strictement négative est de classe C∞, alors il est isométrique à une variété localement symétrique à courbure négative. 15 16 Conclusion Le problème de rigidité est un problème inverse. Notre préoccupation était principalement de savoir si deux variétés riemanniennes compactes M et N ayant des flots géodésiques identiques étaient nécessairement isométriques. Pour répondre à cette question nous avons pris un cas simple, celui de la sphère et du plan hyperbolique. On montrer que la sphère et le plan hyperbolique sont des variétés riemanniennes de courbure positive et négative respectivement. Nous avons par un exemple montré que le flot est rigide en courbure négative et ne l’est pas en courbure positive. Le problème de rigidité reste encore ouvert aujourd’hui. On admet actuellement que l’absence de la transitivité topologique, ou ergodicité, est la condition pour qu’il y ait rigidité. 17 REFERENCES 1. ARNOLD V. (1974) - Equations différentielles ordinaires. Editions Mir, Moscou ,268 p. 2. BENOIST Y., FOULON P. et LABOURIE F. (1992) - Flots d’Anosov à distributions stable et instable différentiables. J. Amer. Math. Soc. 5, 33-74. 3. BERGER, M. (2002) - A panoramic view of riemannian geometry. Ed. Springer verlag, 872 p. 4. BESSE A.L. (1978) – Manifold all of whose geodesics are closed, Ergeb. Der Math. Bd 93, Springer. 5. DINABURG E. 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