Введение

Ричард Мелвин Шён (Richard Melvin Schoen, 23 октября 1950 года рождения) — американский математик, известный своими работами в области дифференциальной геометрии и геометрического анализа. Он наиболее известен решением проблемы Ямабе в 1984 году.

Карьера

Родился в Селине, штат Огайо, и окончил среднюю школу Форт-Рекувери в 1968 году. Получил степень бакалавра математики в Университете Дейтона. Затем в 1977 году получил докторскую степень в Стэнфордском университете. После преподавания в Институте Куранта, Нью-Йоркском университете, Калифорнийском университете в Беркли и Калифорнийском университете в Сан-Диего, с 1987 по 2014 год был профессором в Стэнфордском университете, а с 1992 года – профессором гуманитарных и естественных наук имени Басса. В настоящее время является выдающимся профессором и руководителем кафедры превосходства в преподавании в Калифорнийском университете в Ирвине. Его фамилия произносится как "Шейн". Шён получил стипендию NSF Graduate Research Fellowship в 1972 году и стипендию Sloan Research Fellowship в 1979 году. В 1983 году он был приглашенным докладчиком на Международном математическом конгрессе в Варшаве, в 1986 году – пленарным докладчиком на Международном математическом конгрессе в Беркли, а в 2010 году – пленарным докладчиком на Международном математическом конгрессе в Хайдарабаде. За работу над проблемой Ямабе Шён был удостоен Мемориальной премии Бошера в 1989 году. Он получил награду декана Стэнфордского университета за выдающиеся достижения в области преподавания за 2014–2015 годы. В 2015 году был избран вице-президентом Американского математического общества. В 2015 году ему была присвоена степень почётного доктора наук Университета Уорика. В 2017 году он получил премию Вульфа по математике, которую разделил с Чарльзом Фефферманом. В том же году он был удостоен премии Хайнца Хопфа, медали и премии Лобачевского Казанского федерального университета и премии Рольфа Шока. Он подготовил более 44 докторантов, среди которых Хьюберт Брей, Хосе Ф. Эскобар, Айлана Фрейзер, Чикако Месэ, Уильям Миникоцци и Андре Невс.

Математическая работа

Шен исследовал применение аналитических методов в глобальной дифференциальной геометрии, внеся ряд фундаментальных вкладов в теорию регулярности минимальных поверхностей и гармонических отображений.

Гармонические карты

В 1976 году Шоун и Шинг Тунг Яу использовали более ранние теоремы Лиувиля Яу, чтобы распространить явления жесткости, ранее обнаруженные Джеймсом Иллсом и Джозефом Сэмпсоном, на некомпактные случаи. Выявив определенное взаимодействие тождества Бохнера для гармонических отображений со второй вариацией формулы площади для минимальных гиперповерхностей, они также установили новые условия на область, приводящие к тому же заключению. Эти теоремы жесткости дополняются их теоремой о существовании гармонических отображений на некомпактных областях, как простое следствие решения Ричардом Гамильтоном краевой задачи Дирихле. В результате они получили ряд замечательных геометрических результатов, например, то, что некоторые некомпактные многообразия не допускают полных метрик неотрицательной кривизны Риччи. В двух статьях 1980-х годов Шоун и Карен Уленбек внесли основополагающий вклад в теорию регулярности гармонических отображений, минимизирующих энергию. Разработанные ими методы, основанные на широком использовании формул монотонности, оказали значительное влияние на область геометрического анализа и были адаптированы к ряду других задач. К их фундаментальным результатам относятся теоремы о компактности для множеств гармонических отображений и контроль над размером соответствующих сингулярных множеств. Леон Саймон применил эти результаты для получения ясной картины мелкомасштабной геометрии гармонических отображений, минимизирующих энергию. Позже Михаил Громов пришел к пониманию того, что расширение теории гармонических отображений, допускающее значения в метрических пространствах вместо римановых многообразий, будет иметь ряд важных применений, а аналоги классической теоремы жесткости Эллса — Сэмпсона дадут новые теоремы жесткости для решеток. Детальная аналитическая проработка такой теории была выполнена Шоеном. Шоун и Николас Коревар заложили дальнейшие основы для этого нового подхода к гармоническим отображениям.

Минимальные поверхности, положительная скалярная кривизна и теорема о положительной массе

В 1979 году Шён и его бывший научный руководитель, Шинг Тун Яу, внесли ряд весьма влиятельных вкладов в изучение положительной скалярной кривизны. С помощью элементарного, но нового сочетания уравнения Гаусса, формулы для второй вариации площади и теоремы Гаусса — Бонне, Шён и Яу смогли исключить существование нескольких типов стабильных минимальных поверхностей в трехмерных многообразиях с положительной скалярной кривизной. Сопоставляя этот результат со своей аналитически глубокой теоремой, устанавливающей существование таких поверхностей, они смогли получить ограничения на то, какие многообразия могут допускать метрику с положительной скалярной кривизной. Шён и Дорис Фишер Колбри позже провели более широкое исследование стабильных минимальных поверхностей в трехмерных многообразиях, используя вместо этого анализ оператора устойчивости и его спектральных свойств. Индуктивный аргумент, основанный на существовании стабильных минимальных гиперповерхностей, позволил им распространить свои результаты на более высокие размерности. Дальнейшие аналитические методы облегчили применение топологических хирургий к многообразиям, допускающим метрики с положительной скалярной кривизной, показав, что класс таких многообразий топологически богат. Михаил Громов и Х. Блейн Лоусон получили аналогичные результаты другими методами, также проведя более глубокий анализ топологических следствий. Распространив свои методы на некомпактные многообразия, Шён и Яу смогли решить важную риманову формулировку теоремы о положительной массе в общей теории относительности, которую можно рассматривать как утверждение о геометрическом поведении некомпактных многообразий с положительной скалярной кривизной. Как и их первоначальные результаты, аргумент основан на противоречии. Более конструктивный аргумент, использующий теорию гармонических спиноров вместо минимальных гиперповерхностей, позже был найден Эдвардом Виттеном. Шён, Яу и Леон Саймон выявили простое сочетание формулы Саймонса с формулой для второй вариации площади, которое дает важные оценки кривизны для стабильных минимальных гиперповерхностей малой размерности. В 1983 году Шён получил аналогичные оценки в частном случае двумерных поверхностей, используя существование изотермических координат. Несколько более слабые оценки были получены Шёном и Саймоном, хотя и без каких-либо размерных ограничений. Основные следствия оценок Шёна — Саймона включают теоремы о компактности для стабильных минимальных гиперповерхностей, а также контроль над размером «сингулярных множеств». В частности, оценки Шёна — Саймона являются важным инструментом в теории мини-макс Альмгрена — Питтса, которая нашла ряд применений. Возможное наличие сингулярных множеств ограничивает размерности, в которых индуктивные аргументы Шёна и Яу могут быть легко реализованы. Между тем, существенное использование Виттеном спиноров ограничивает его результаты топологически специальными случаями. Таким образом, общий случай теоремы о положительной массе в более высоких размерностях оставался важной нерешенной проблемой в работе Шёна и Яу 1979 года. В 1988 году они решили эту проблему в произвольной размерности в частном случае, когда тензор Вейля равен нулю; это имело большое значение для конформной геометрии. В 2017 году они опубликовали препринт, утверждающий общий случай, в котором они непосредственно рассматривают сингулярные множества минимальных гиперповерхностей.

Проблема Ямабе и конформальная геометрия

В 1960 году Хидехико Ямабе представил "функционал Ямабе" на конформном классе римановых метрик и показал, что критическая точка будет обладать постоянной скалярной кривизной. Он добился частичного прогресса в доказательстве существования критических точек, который был продолжен Нилом Трудингером и Тьерри Обином. Работа Обина, в частности, разрешила случаи высокой размерности или когда существует точка, в которой тензор Вейля отличен от нуля. В 1984 году Шён завершил рассмотрение случаев, оставшихся нерешенными в работе Обина, ключевым моментом чего стало перемасштабирование метрики с помощью функции Грина оператора Лапласа-Бельтрами. Это позволило применить теорему о положительной массе Шёна и Яу к полученной метрике, предоставив важную асимптотическую информацию об исходной метрике. Работы Ямабе, Трудингера, Обина и Шёна в совокупности составляют решение проблемы Ямабе, утверждающей, что в каждом конформном классе существует метрика с постоянной скалярной кривизной. В 1989 году Шён также смог адаптировать анализ "пузырьков" Карен Уленбек, разработанный для других геометрико-аналитических задач, к задаче о постоянной скалярной кривизне. Вопрос об уникальности критических точек функционала Ямабе и, в более общем смысле, о компактности множества всех критических точек, является тонким вопросом, впервые исследованным Шёном в 1991 году. Более полные результаты были получены позднее Саймоном Брендлом, Маркусом Хури, Фернандо Кодой Маркесом и Шёном.

Теорема дифференцируемой сферы

В 1980-х годах Ричард Гамильтон ввёл поток Риччи и доказал ряд теорем о сходимости, в частности, для двух- и трёхмерных пространств. Хотя он и другие получили частные результаты в высоких размерностях, прогресс тормозился сложностью понимания сложного тензора кривизны Римана. Саймон Брендл и Шён смогли доказать, что положительность "изотропной кривизны", предложенной Марио Микалефом и Джоном Муром, сохраняется потоком Риччи в любом измерении, что было независимо доказано Хью Нгуеном. Брендл и Шён также смогли связать своё условие положительности с положительностью сечений и оператора кривизны, что позволило им использовать недавние алгебраические идеи Кристофа Бёма и Буркхарда Вилкинга и получить новую теорему о сходимости для потока Риччи. Частным случаем их теоремы о сходимости является теорема о дифференцируемой сфере как простое следствие, которая на протяжении последних пятидесяти лет была известной гипотезой в изучении положительной сечений.