1. 引言
Brunn-Minkowski不等式始现于19世纪末期,它在如今蓬勃发展的凸几何分析中扮演着十分重要的角色。Brunn-Minkowski不等式表明对于
中的凸体
它们的体积及其代数和具有下述关系:
, (1.1)
等号成立当且仅当K和L位似,其中,V表示体积。
Aleksandrov在20世纪早期开创性的工作 [1] 表明在Brunn-Minkowski 类型的不等式和混合表面积测度的唯一性之间存在着等价关系。在这里,“唯一性”意味着:如果K和L具有相同的混合表面积测度
,其中
[2],那么K必是L的平移。
这一等价关系,对于
Brunn-Minkowski不等式以及
表面积测度 [3] 也同样成立。当
时,关于
Brunn-Minkowski不等式的问题已经得到解决 [4],而
的情况至今仍有待进一步的探索。 [5] [6] [7] 等解决了某些维度或者特殊p值的情形。
从对称性的观点出发,Lutwak [8] 在20世纪80年代引入了对偶Brunn-Minkowski理论。将经典意义下的和替换成径向和后,Lutwak建立了关于星体(详细定义参见第2节)的对偶Brunn-Minkowsk型不等式:
(1.2)
该理论在解决著名的Busemann-Petty问题上取得的成果十分令人瞩目。参见Lutwak [8],Gardner [9],Zhang [10] 以及Koldobsky [11]。
给定一个星体K,在对偶Brunn-Minkowski理论中,最重要的概念之一就是对偶均质积分(dual quermassintegral)
,它按如下方式定义
,
,
其中,
是K的径向函数(详细定义参见第2节)。当
时,我们就得到了奇异的情形,此时,我们考虑对偶entropy
最近几年,Huang-Lutwak-Yang-Zhang [12] 关于对偶均质积分有了令人惊讶的发现。他们发现对偶均质积分是“可微的”,对其微分后将得到一系列新的几何测度。这揭示出了古典Brunn-Minkowski理论和对偶Brunn-Minkowsk理论的新联系。对于凸体K,这些新的几何测度统称为
-次对偶曲率测度,其一般形式记为
。当
时,该测度就变成了对偶曲率测度 [12]。当
时,
就变成了在 [13] 中引入的
积分曲率测度
,其中
是K的极体(参见第2节)。特别地,
是Alesandorv积分曲率。
Brunn-Minkowski类型的不等式与Minkowski问题存在紧密联系。然而,已知的关于径向和
的对偶Brunn-Minkowski型不等式(1.2)式在测度
的唯一性问题上没有帮助。在许多公开的学术讨论中,Huang-Lutwak-Yang-Zhang关于对偶Brunn-Minkowski不等式曾猜测:
(1.3)
以及当
时,
(1.4)
其中,
是关于函数
的Wulff形(详细定义参见第2节),
和
分别是K和L的支撑函数(详细定义参见第2节)。
在凸几何分析中,高斯像
可以将各种测度间接地联系起来。如通过径向高斯像,它将定义在
上的Aleksandrov积分曲率和球面Lebesgue测度联系起来,同时,也将经典的表面积测度与Federer的
-次曲率测度联系起来( [2],定理4.2.3 [12] )。具体说来,在 [12] 中,Brunn-Minkowsk理论和对Brunn-Minkowski理论的联系正是通过径向高斯像
建立的。在此基础上,Böröczky-Lutwak-Yang-Zhang-Zhao在 [14] 中引入了高斯像测度的概念,给出了测度唯一性的证明,并提出高斯像问题。下文中,我们用
表示内部包含原点的凸体类。
设
是定义在
上的Lebesgue可测集类上的子测度(submeasure)。
,对任意的Borel集
,
关于K的高斯像测度
可以定义为
,
其中,
是关于K的高斯像 (具体定义参见第2节)。
高斯像问题。设
是一个定义在
上的Lebesgue可测集类上的子测度,
是定义在
上的Borel子测度。对
是否存在充分条件和必要条件,使得存在一个凸体
对
上的Borel集,满足
若满足要求的凸体存在,那么在什么程度上是唯一的?
高斯像测度
与我们已知的很多测度存在联系。当
是
上的Lebesgue测度时,
是凸体K的Aleksandrov积分曲率测度 [15],
,
当
是某个凸体K的曲率测度
时,逆高斯像测度(详细定义参见第2节)就是表面积测度,即
此外,Aleksandrov-Fenchel-Jessen的经典的表面积测度 [16] 以及最近发现的对偶曲率测度都是高斯像测度 [12]。这样,高斯像测度的引入就扩展了Minkowski问题的研究范围。
关于测度
的对偶Entropy
的定义为
.
Borel测度
是绝对连续的,指的是
是关于球面Lebesgue测度绝对连续的。Böröczky-Lutwak-Yang-Zhang-Zhao [14] 在
是绝对连续的假设下,证明了高斯像问题的解存在唯一性。
本文通过几何的方法,建立了关于
的不等式和等号条件。在此基础上,利用
的凹性,结合变分公式,我们给出高斯像测度唯一性的另一种证明。我们得到的结果如下:
定理A. 设
是定义在
上的Borel测度。
,
,则
等号成立当且仅当
是膨胀的。
定理B. 设
是
上绝对连续的Borel测度。
,则
当且仅当
是膨胀的。
2. 预备知识
在本节中,我们将给出一些关于凸体的术语和记号。对于凸几何分析来说,Gardner [16],Gruber [17] 以及Schneider [2] 的书都可以作为极好的参考。
对于
,我们将其内积记为
。将x的模长记为
。单位球面
用
表示。以原点为中心的单位球
记为B,
是B的体积,
是B的表面积。V是n维勒贝格测度。
是一个测度,
。
凸体是
中内部非空的紧凸集。对于
,它的支撑函数
是
.
,
,凸体K的径向函数
的定义为
.
设K是
中的凸体,对于
,K的以v为外法向量的支撑平面按如下方式定义
.
设
,
,若对于任意的
,线段
,则称K是关于原点o的星集。当一个星集的径向函数为正的且连续时,称该星集为星体。
中所有包含原点的星体组成一个星体类,记为
。
设
是定义在
上的正向函数类。对每一个
,由f生成的Wulff形记为
,其定义为
.
对于任意的
,易证
以及
。
设
是一个不包含
上任意闭半球面的闭集。若
且
是连续的,
以及
,
其中,对每一个
,函数
是连续的,且
在
上是一致。
对于函数
生成的wulff形
,我们也称
是由
生成的Wulff 形。当h是某个凸体K的支撑函数时,我们也将
写为
或
。
设
是连续的,
,对每一个
,
是连续的,以及
,
其中,函数
是连续的,且
在
上是一致。
将由函数
生成的凸包定义为
,
称
是由
生成的对数族的凸包。如果
恰好是某个凸体的径向函数,就将
记为
,并称
是由
生成的对数族的凸包。
,星体的
对偶组合
(参见 [14] )按如下方式定义
在上式中,对括号中的不等式的最右边取极限就得到了
的情形,此时上式函数变为
。
对任意
,
是K的极体,其定义为
,
注意到
,由
的定义,我们有
,
(2.1)
由此易得
对于
,如果存在
使得
则称K和L是膨胀的。
的球面像的定义为
对于
,
,将K的径向映射(radial map)定义为
,
,
其中
表示K的边界集。
对于
,定义
的径向高斯像为
.
类似地,对于
,
表示逆径向高斯像,它是所有径向方向
的集合,对于边界点
可以在
中至少找到一个元素v,作为边界点
的外法向量,即
.
设
是定义在
的Lebesgue可测子集的子测度,
。对任意的Borel集
,
关于K的高斯像测度
可以定义为
.
对于每一个Borel集
,
表示逆高斯像测度,其定义为
.
对于任意的
,
和
都是膨胀不变的,即
,
此外,关于
和
的关系,
(2.2)
, [14] 还给出了关于测度
的K的对数体积
,
.
由对数体积
和关于
的对偶Entropy的定义,有下式成立
(2.3)
引理2.1 ( [14],引理4.2) 设
是
上绝对连续的Borel测度,
,
是连续的,若
是一个由
生成的对数族的凸包,则
若
是由
生成的Walff形,则
引理2.2 设
是
上绝对连续的Borel测度,
,则
证明. 对充分小的
,
,令
,所以
,则
,由关于函数
的Wulff形的定义可知,
,
f是连续的,结合引理2.1,(2.2)式以及(2.3)式,立即得证。
3. 关于高斯像测度的 Brunn-Minkowski不等式
引理3.1的证明我们已经在另一篇文章里给出了。在这里,考虑到文章的完整性,我们也给出证明。引理3.1给出的是一般的情形,取
立即就得到了我们想要的结果。在本节中,我们假设
。
引理3.1 设
,
,则
, (3.1)
等号成立当且仅当K和L是膨胀的。
证明. 第一步:不等式(3.1)。注意到
是一个星体。为了证明(3.1),只需要证明对任意的
,有
,
(3.2)
因为
,
,
,我们有
,
,
如果
,
,我们有
,
若
,则上面的不等式显然成立。由此可得,在
时,对任意的
的边界点,(3.2)成立。
令上面不等式的
,我们得到
,
即
时,(3.2)成立。
第二步:等号条件。现在我们假设在(3.1)中的等号成立。我们只给出
时的证明,
的情况是类似的。对于任意的方向
,边界点
必有一个外法向量v,则
,
由此可得
,以及
。
所以我们证明了对任意方向
,边界点
和边界点
具有共同的法向量v。所以K和L必是膨胀的。
反之,如果K和L是膨胀的,(3.1)的等号显然成立。
定理3.2 设
是
上的Borel测度,
,
,则
,
等号成立当且仅当
是膨胀的。
证明. 由引理3.1以及
定义,我们有
由引理3.1的等号条件,等号成立当且仅当
是膨胀的。
4. 高斯像测度的唯一性
定理4.1 设
是
上绝对连续的Borel测度。
,则
当且仅当
是膨胀的。
证明. 对于
,定义函数
,由定理3.2可知,函数
是凹的。由引理2.2可知,函数
在
处是可微的。由函数
的凹性,我们可以得到不等式
.
在
时,如果K和L不是膨胀的,我们就得到严格的不等式
.
由上面得到的严格不等式,
以及引理2.2,我们有
(4.1)
(4.2)
将(4.1)式和(4.2)式相加,我们可以得到
,矛盾。
反过来,当K和L是膨胀的,即
时
,由
的膨胀不变性,结果是显然的。
注:在另一文章中,我们已经得到了关于对偶均质积分
的Brunn-Minkowsk不等式,并利用其刻画了
-次对偶曲率测度
的唯一性。