MATHS + AI

Geometría de subvariedades · Tema 07

Curvatura media

El campo vectorial curvatura media $H$ es la traza normalizada de la segunda forma fundamental: subvariedades minimales y de curvatura media constante.

  • Traza de una forma bilineal
  • El campo H
  • Minimales y CMC
  • Subvariedades de subvariedades

Avanza con → espacio · retrocede con ← · índice con O · pantalla completa con F

Hoja de ruta

Objetivos del tema

  • Definir el campo vectorial curvatura media $H$ como la traza (normalizada) de la segunda forma fundamental y comprobar que no depende de la referencia elegida.
  • Definir las subvariedades minimales y las de curvatura media constante.
  • Calcular $H$ en ejemplos: esferas, espacio hiperbólico, cilindro, catenoide, helicoide y toro de Clifford.

7.1

Sección 7.1

Traza de una forma bilineal con valores vectoriales

La traza respecto de la métrica no depende de la base.

Traza de una forma bilineal con valores vectoriales

La traza respecto de la métrica no depende de la base

Lema 7.1

Sea $(V,g)$ un espacio vectorial de dimensión $n$ con un producto escalar, $E$ un espacio vectorial y $\beta:V\times V\rightarrow E$ bilineal y simétrica. Para cualquier base $e_1,\ldots,e_n$ de $V$, con $g_{ij}=g(e_i,e_j)$ y $(g^{ij})=(g_{ij})^{-1}$, el vector \[\tr_g\beta=\sum_{i,j=1}^ng^{ij}\,\beta(e_i,e_j)\in E\] no depende de la base. Si la base es ortonormal, $\tr_g\beta=\sum_{i=1}^n\varepsilon_i\,\beta(e_i,e_i)$ con $\varepsilon_i=g(e_i,e_i)$.

Traza de una forma bilineal con valores vectoriales

Demostración: cambio de base

Demostración

Sea $\tilde e_k=\sum_iA_{ik}e_i$ otra base, con $A$ invertible. La matriz de $g$ en la nueva base es $\tilde G=A^tGA$, luego $\tilde G^{-1}=A^{-1}G^{-1}(A^t)^{-1}$. Entonces \[\begin{aligned}\sum_{k,l}\tilde g^{kl}\beta(\tilde e_k,\tilde e_l)&=\sum_{i,j}\Big(\sum_{k,l}A_{ik}\tilde g^{kl}A_{jl}\Big)\beta(e_i,e_j)\\&=\sum_{i,j}\big(A\tilde G^{-1}A^t\big)_{ij}\beta(e_i,e_j)=\sum_{i,j}g^{ij}\beta(e_i,e_j).\end{aligned}\] Para una base ortonormal, $(g_{ij})=\operatorname{diag}(\varepsilon_1,\ldots,\varepsilon_n)$, cuya inversa es ella misma.

7.2

Sección 7.2

El campo curvatura media

La «media» de $\sigma$: un campo normal.

El campo curvatura media

El campo vectorial curvatura media

Definición 7.2

Dada una subvariedad semi-riemanniana $M$ de $\bar M$, llamamos campo vectorial curvatura media $H$ de $M\subset \bar M$ a la contracción métrica normalizada de su segunda forma fundamental, es decir, \[H=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \varepsilon_i \sigma(E_i,E_i),\] siendo $E_1,\ldots,E_n$ una referencia local ortonormal y $\varepsilon_i=\g{E_i}{E_i}$, $i=1,\ldots,n$.

Por el lema 7.1 (con $\beta=\sigma_p$ y $E=T_pM^\perp$), $H_p=\frac1n\tr_g\sigma_p$ no depende de la referencia ortonormal: $H$ está globalmente definido, y es diferenciable porque localmente existen referencias ortonormales (proposición 3.7). Así, $H\in{\mathfrak X}(M)^\perp$.

El campo curvatura media

Subvariedades minimales y de curvatura media constante

Definición 7.3

Una subvariedad semi-riemanniana $M$ de $\bar M$ se dice que es minimal si $H=0$, y de curvatura media constante si $\g{H}{H}$ es una función constante.

Observación 7.4 (Terminología y significado variacional)

El nombre «minimal» procede del cálculo de variaciones: una subvariedad riemanniana compacta (con borde) $M$ es minimal si y solo si es un punto crítico del funcional volumen para todas las variaciones que fijan el borde (fórmula de la primera variación, $\frac{d}{dt}\big|_{t=0}\operatorname{vol}(M_t)=-n\int_M\langle H,\xi\rangle\,dV$, con $\xi$ el campo variacional). Para subvariedades espaciales de variedades lorentzianas, las subvariedades con $H=0$ son localmente maximizantes del volumen y se llaman a menudo maximales.

El campo curvatura media

En una hipersuperficie, $H=h\,N$

Observación 7.5 (Hipersuperficies)

Si $M$ es una hipersuperficie con normal unitario $N$, $\varepsilon=\langle N,N\rangle$, entonces $H=h\,N$ con $h=\varepsilon\langle H,N\rangle$ (la curvatura media escalar), y $\langle H,H\rangle=\varepsilon h^2$. En este caso «curvatura media constante» equivale a $|h|$ constante.

7.3

Sección 7.3

Ejemplos

Esferas, espacio hiperbólico, cilindro, catenoide y helicoide.

Ejemplos

Esferas, espacio hiperbólico y cilindro: curvatura media constante

Ejemplo 7.6 (Esferas e hiperbólico)

Por el Tema 6, para $\S^n(r)\subset\R^{n+1}$ se tiene $\sigma(V,W)=-\frac1r\langle V,W\rangle N$, luego \[H=\frac1n\sum_i\varepsilon_i\Big(-\frac1r\varepsilon_i\Big)N=-\frac1rN,\qquad\langle H,H\rangle=\frac{1}{r^2}.\] Análogamente, para $\H^n(r)\subset\R^{n+1}_1$, $H=\frac1rN$ y $\langle H,H\rangle=-\frac{1}{r^2}$. Ambas tienen curvatura media constante y no son minimales.

Ejemplo 7.7 (El cilindro)

Para el cilindro de radio $r$ en $\R^3$ (ejemplo 4.13), $H=\frac12\big(\sigma(e_1,e_1)+\sigma(e_2,e_2)\big)=-\frac{1}{2r}N$: curvatura media constante $\langle H,H\rangle=\frac{1}{4r^2}$.

Ejemplos

La catenoide es minimal

Ejemplo 7.8 (La catenoide es minimal)

Sea $X(u,v)=(\cosh u\cos v,\ \cosh u\sin v,\ u)$. Entonces $X_u=(\sinh u\cos v,\sinh u\sin v,1)$, $X_v=(-\cosh u\sin v,\cosh u\cos v,0)$, \[E=G=\cosh^2u,\quad F=0,\qquad N=\frac{X_u\times X_v}{|X_u\times X_v|}=\frac{(-\cos v,-\sin v,\sinh u)}{\cosh u}.\] Con $X_{uu}=(\cosh u\cos v,\cosh u\sin v,0)$, $X_{uv}=(-\sinh u\sin v,\sinh u\cos v,0)$ y $X_{vv}=(-\cosh u\cos v,-\cosh u\sin v,0)$ obtenemos \[\sigma(\partial_u,\partial_u)=\langle X_{uu},N\rangle N=-N,\qquad\sigma(\partial_u,\partial_v)=0,\qquad\sigma(\partial_v,\partial_v)=N.\] Por el lema 7.1, $H=\frac12\Big(\frac{1}{\cosh^2u}\sigma(\partial_u,\partial_u)+\frac{1}{\cosh^2u}\sigma(\partial_v,\partial_v)\Big)=\frac{1}{2\cosh^2u}(-N+N)=0.$

Ejemplos

El helicoide es minimal

Ejemplo 7.9 (El helicoide es minimal)

Para $X(u,v)=(u\cos v,u\sin v,v)$, con $g_{uu}=1$, $g_{uv}=0$, $g_{vv}=1+u^2$ y $\sigma(\partial_u,\partial_u)=\sigma(\partial_v,\partial_v)=0$ (ejercicio 4.4): \[H=\tfrac12\Big(\sigma(\partial_u,\partial_u)+\tfrac{1}{1+u^2}\sigma(\partial_v,\partial_v)\Big)=0.\]

Ambas superficies minimales tienen curvatura de Gauss negativa en todos sus puntos: $K=-1/\cosh^4u$ (catenoide) y $K=-1/(1+u^2)^2$ (helicoide).

Ejemplos

Dos superficies minimales de $\R^3$

Arrastra para girar
  • Catenoide: $X(u,v)=(\cosh u\cos v,\cosh u\sin v,u)$.
  • Helicoide: $X(u,v)=(u\cos v,u\sin v,v)$.

En ambas, $H=0$: las dos curvaturas principales son opuestas y la superficie «se dobla hacia arriba» en una dirección tanto como «hacia abajo» en la perpendicular.

7.4

Sección 7.4

Subvariedades de subvariedades

La segunda forma fundamental de una composición.

Subvariedades de subvariedades

Segunda forma fundamental de una composición

Muchas subvariedades interesantes viven dentro de otra subvariedad (por ejemplo, de una esfera). La siguiente fórmula relaciona las segundas formas fundamentales.

Proposición 7.10 (Segunda forma de una composición)

Sean $M\subset\tilde M\subset\bar M$, con $\tilde M$ subvariedad semi-riemanniana de $\bar M$ y $M$ subvariedad semi-riemanniana de $\tilde M$. Denotemos por $\sigma$, $\sigma^{\tilde M}$ y $\tilde\sigma$ las segundas formas fundamentales de $M\subset\bar M$, $M\subset\tilde M$ y $\tilde M\subset\bar M$. Entonces, para $V,W\in{\mathfrak X}(M)$, \[\sigma(V,W)=\sigma^{\tilde M}(V,W)+\tilde\sigma(V,W),\] y, si $n=\dim M$, los campos curvatura media verifican $H=H^{\tilde M}+\frac1n\tr_g\big(\tilde\sigma|_{TM\times TM}\big)$.

Subvariedades de subvariedades

Demostración: dos veces la fórmula de Gauss

Demostración

La métrica inducida en $M$ por $\bar M$ coincide con la inducida por $\tilde M$, luego $M$ es subvariedad semi-riemanniana de $\bar M$. Sea $\tilde\nabla$ la conexión de $\tilde M$. Aplicando dos veces la fórmula de Gauss (definición 4.9), primero a $\tilde M\subset\bar M$ (con $V,W$ tangentes a $M\subset\tilde M$) y después a $M\subset\tilde M$, \[\bar\nabla_VW=\tilde\nabla_VW+\tilde\sigma(V,W)=\nabla_VW+\sigma^{\tilde M}(V,W)+\tilde\sigma(V,W).\] Aquí $\nabla_VW\in T_pM$; $\sigma^{\tilde M}(V,W)\in T_p\tilde M$ es ortogonal a $T_pM$; y $\tilde\sigma(V,W)\in T_p\tilde M^\perp\subset T_pM^\perp$. Por la unicidad de la descomposición $T_p\bar M=T_pM\oplus T_pM^\perp$, la parte normal de $\bar\nabla_VW$ es $\sigma^{\tilde M}(V,W)+\tilde\sigma(V,W)$. La fórmula para $H$ se obtiene tomando trazas.

Subvariedades de subvariedades

Subvariedades de la esfera

Ejemplo 7.11 (Subvariedades de la esfera)

Sea $M^n\subset\S^N(1)\subset\R^{N+1}$. Como $\tilde\sigma(V,W)=-\langle V,W\rangle P$ (ejemplo 6.4 con $r=1$), la proposición 7.10 da \[\sigma(V,W)=\sigma^{\S}(V,W)-\langle V,W\rangle P,\qquad H=H^{\S}-P.\] Por tanto $M$ es minimal en la esfera si y solo si su curvatura media en $\R^{N+1}$ es $H=-P$.

Subvariedades de subvariedades

El toro de Clifford es minimal en $\S^3$

Ejemplo 7.12 (El toro de Clifford es minimal en $\S^3$)

Sea $T=\S^1(\frac{1}{\sqrt2})\times\S^1(\frac{1}{\sqrt2})=\{(x^1)^2+(x^2)^2=(x^3)^2+(x^4)^2=\frac12\}\subset\S^3(1)$. Con los campos unitarios tangentes $e_1,e_2$ a cada factor, y por el ejercicio 4.5 (circunferencias de radio $1/\sqrt2$, para las que $\sigma(e,e)=-\frac{1}{r^2}\times\text{posición}=-2\times\text{posición}$), \[\sigma(e_1,e_1)=-2(x^1,x^2,0,0),\qquad\sigma(e_2,e_2)=-2(0,0,x^3,x^4),\qquad\sigma(e_1,e_2)=0,\] luego $H=\frac12\big(\sigma(e_1,e_1)+\sigma(e_2,e_2)\big)=-P$. Por el ejemplo anterior, $H^{\S}=0$: el toro de Clifford es una superficie minimal (compacta) de $\S^3$.

Subvariedades de subvariedades

$H$ es la «media» de $\sigma$

Idea clave

$H$ es la «media» de $\sigma$: la traza respecto de la métrica, dividida por $n$. Es un campo normal. Las subvariedades minimales ($H=0$) generalizan las superficies de área mínima (pompas de jabón), y las de curvatura media constante no nula generalizan las esferas (burbujas).

Resumen

Resumen del tema

  • $H=\frac1n\sum_i\varepsilon_i\sigma(E_i,E_i)=\frac1n\sum_{i,j}g^{ij}\sigma(\partial_i,\partial_j)$, independiente de la base.
  • Minimal: $H=0$. Curvatura media constante: $\langle H,H\rangle$ constante.
  • Esfera: $H=-\frac1rN$; hiperbólico: $H=\frac1rN$; catenoide y helicoide: $H=0$.
  • Si $M\subset\tilde M\subset\bar M$: $\sigma=\sigma^{\tilde M}+\tilde\sigma$.

Ejercicios

Ejercicios

Ejercicio del guion

7.1 — Sea $x^1, \ldots, x^{n+k}$ un sistema de coordenadas adaptado para $M \subset \bar{M}$. Probar que el campo vectorial curvatura media $H$ es \[H = \frac{1}{n} \sum_{1 \le i,j \le n} g^{ij} \, \sigma(\partial_i, \partial_j).\] Y si $\partial_{n+1}, \ldots, \partial_{n+k}$ son normales a $M$, entonces \[\sigma(\partial_i, \partial_j) = \sum_{r>n} \overline{\Gamma}_{ij}^r \, \partial_r.\]

Ejercicios

Ejercicios complementarios $(\star)$

Ejercicios añadidos en los apuntes

7.2$^\star$ — Prueba que la curvatura media escalar (respecto de $N=(-f_u,-f_v,1)/W$, $W=\sqrt{1+f_u^2+f_v^2}$) del grafo de $f:\R^2\rightarrow\R$ en $\R^3$ es \[h=\frac{(1+f_v^2)f_{uu}-2f_uf_vf_{uv}+(1+f_u^2)f_{vv}}{2W^3}.\] Deduce la ecuación de las superficies minimales y comprueba que la superficie de Scherk $f(u,v)=\log(\cos v)-\log(\cos u)$ es minimal.

7.3$^\star$ — Sea $M^n\subset\R^N$ una subvariedad y $P$ el campo de posición. Prueba la fórmula de Beltrami $\Delta_M(P|_M)=nH$, donde $\Delta_M$ actúa sobre cada componente y $\Delta f=\tr_g\operatorname{Hess}f$. Deduce que no existen subvariedades riemannianas compactas minimales (sin borde) de dimensión $n\geq1$ en $\R^N$.

Ejercicios

Ejercicios complementarios $(\star)$

Ejercicios añadidos en los apuntes

7.4$^\star$ — Sean $k,l\geq1$ y $r_1^2+r_2^2=1$. Prueba que $\S^k(r_1)\times\S^l(r_2)\subset\S^{k+l+1}(1)$ es minimal si y solo si $r_1^2=\frac{k}{k+l}$ y $r_2^2=\frac{l}{k+l}$.

7.5$^\star$ — Sea $M=\S^k(\rho)\times\{c\}$ una esfera de dimensión $k$ contenida en el subespacio afín $\R^{k+1}\times\{c\}$ de $\R^N$. Calcula su segunda forma fundamental y su curvatura media en $\R^N$.

Geometría de subvariedades · Tema 07

$H$ es la media de $\sigma$: un campo normal, independiente de la base.

Minimales ($H=0$): catenoide, helicoide, toro de Clifford en $\S^3$.

Curvatura media constante: esferas, espacio hiperbólico, cilindros.

© 2026 MAMB · MATHS + AI