TY - THES A1 - Rothe, Viktoria T1 - Das Yamabe-Problem auf global-hyperbolischen Lorentz-Mannigfaltigkeiten N2 - Im Jahre 1960 behauptete Yamabe folgende Aussage bewiesen zu haben: Auf jeder kompakten Riemannschen Mannigfaltigkeit (M,g) der Dimension n ≥ 3 existiert eine zu g konform äquivalente Metrik mit konstanter Skalarkrümmung. Diese Aussage ist äquivalent zur Existenz einer Lösung einer bestimmten semilinearen elliptischen Differentialgleichung, der Yamabe-Gleichung. 1968 fand Trudinger einen Fehler in seinem Beweis und infolgedessen beschäftigten sich viele Mathematiker mit diesem nach Yamabe benannten Yamabe-Problem. In den 80er Jahren konnte durch die Arbeiten von Trudinger, Aubin und Schoen gezeigt werden, dass diese Aussage tatsächlich zutrifft. Dadurch ergeben sich viele Vorteile, z.B. kann beim Analysieren von konform invarianten partiellen Differentialgleichungen auf kompakten Riemannschen Mannigfaltigkeiten die Skalarkrümmung als konstant vorausgesetzt werden. Es stellt sich nun die Frage, ob die entsprechende Aussage auch auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten gilt. Das Lorentz'sche Yamabe Problem lautet somit: Existiert zu einer gegebenen räumlich kompakten global-hyperbolischen Lorentz-Mannigfaltigkeit (M,g) eine zu g konform äquivalente Metrik mit konstanter Skalarkrümmung? Das Ziel dieser Arbeit ist es, dieses Problem zu untersuchen. Bei der sich aus dieser Fragestellung ergebenden Yamabe-Gleichung handelt es sich um eine semilineare Wellengleichung, deren Lösung eine positive glatte Funktion ist und aus der sich der konforme Faktor ergibt. Um die für die Behandlung des Yamabe-Problems benötigten Grundlagen so allgemein wie möglich zu halten, wird im ersten Teil dieser Arbeit die lokale Existenztheorie für beliebige semilineare Wellengleichungen für Schnitte auf Vektorbündeln im Rahmen eines Cauchy-Problems entwickelt. Hierzu wird der Umkehrsatz für Banachräume angewendet, um mithilfe von bereits existierenden Existenzergebnissen zu linearen Wellengleichungen, Existenzaussagen zu semilinearen Wellengleichungen machen zu können. Es wird bewiesen, dass, falls die Nichtlinearität bestimmte Bedingungen erfüllt, eine fast zeitglobale Lösung des Cauchy-Problems für kleine Anfangsdaten sowie eine zeitlokale Lösung für beliebige Anfangsdaten existiert. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Yamabe-Gleichung auf global-hyperbolischen Lorentz-Mannigfaltigkeiten. Zuerst wird gezeigt, dass die Nichtlinearität der Yamabe-Gleichung die geforderten Bedingungen aus dem ersten Teil erfüllt, so dass, falls die Skalarkrümmung der gegebenen Metrik nahe an einer Konstanten liegt, kleine Anfangsdaten existieren, so dass die Yamabe-Gleichung eine fast zeitglobale Lösung besitzt. Mithilfe von Energieabschätzungen wird anschließend für 4-dimensionale global-hyperbolische Lorentz-Mannigfaltigkeiten gezeigt, dass unter der Annahme, dass die konstante Skalarkrümmung der konform äquivalenten Metrik nichtpositiv ist, eine zeitglobale Lösung der Yamabe-Gleichung existiert, die allerdings nicht notwendigerweise positiv ist. Außerdem wird gezeigt, dass, falls die H2-Norm der Skalarkrümmung bezüglich der gegebenen Metrik auf einem kompakten Zeitintervall auf eine bestimmte Weise beschränkt ist, die Lösung positiv auf diesem Zeitintervall ist. Hierbei wird ebenfalls angenommen, dass die konstante Skalarkrümmung der konform äquivalenten Metrik nichtpositiv ist. Falls zusätzlich hierzu gilt, dass die Skalarkrümmung bezüglich der gegebenen Metrik negativ ist und die Metrik gewisse Bedingungen erfüllt, dann ist die Lösung für alle Zeiten in einem kompakten Zeitintervall positiv, auf dem der Gradient der Skalarkrümmung auf eine bestimmte Weise beschränkt ist. In beiden Fällen folgt unter den angeführten Bedingungen die Existenz einer zeitglobalen positiven Lösung, falls M = I x Σ für ein beschränktes offenes Intervall I ist. Zum Schluss wird für M = R x Σ ein Beispiel für die Nichtexistenz einer globalen positiven Lösung angeführt. N2 - Yamabe claimed in 1960 that he had proven the following theorem: Any Riemannian metric g on a compact smooth manifold M of dimension n ≥ 3 is conformal to a metric with constant scalar curvature. An equivalent formulation of this theorem is the existence of a solution to a certain semilinear elliptic differential equation, the so-called Yamabe equation. In 1968 Trudinger found a mistake in Yamabe's paper and consequently many mathematicians dealt with this so-called Yamabe problem. In the 80s Trudinger, Aubin and Shoen were able to fix the mistake and prove that Yamabe's theorem was indeed true. This has many advantages, for example when analyzing a conformally invariant partial differential equation on compact Riemannian manifolds one can assume that the scalar curvature is constant. The question now arises whether the analogous statement on Lorentzian manifolds also applies. The Lorentzian Yamabe Problem can be stated as follows: Given a spatially compact globally hyperbolic Lorentzian manifold (M, g), does there exist a metric conformal to g with constant scalar curvature? The goal of this dissertation is to examine this problem. The Yamabe equation which arises from this question is a semilinear wave equation which must have a positive smooth solution. In the first part of this dissertation the local theory of existence of general semilinear wave equations for sections on vector bundles was developed. For this the inverse function theorem and already existing statements about the existence of solutions to linear wave equation on Lorentzian manifolds were used. It will be proven that there exists an almost global solution to the corresponding Cauchy problem for small initial data as well as a time local solution for arbitrary initial data if the nonlinearity fulfills certain conditions. The second part of the dissertation deals with the Yamabe equation on globally hyperbolic Lorentzian manifolds. First by using the results of the first part it will be proven that there exist initial data such that the Yamabe equation has an almost time global solution if the scalar curvature of the given metric is sufficiently close to a constant. Afterwards by using energy estimates it will be shown in the case of 4-dimensional Lorentzian manifolds that under the assumption that the constant scalar curvature of the conformal metric is non-positive there exists a global smooth solution to the Yamabe equation which is not necessarily positive. But it will be proven that the solution is positive on a compact time interval if the H2-Norm of the scalar curvature of the given metric is bounded on this time interval in a certain way or if the scalar curvature is negative and the gradient of the scalar curvature is bounded in a specific way. In both cases the existence of a global positive smooth solution follows, if the Lorentzian manifold has the form M = I x Σ where I is an open bounded time interval and Σ is a Riemannian manifold. At the end an example for the nonexistence of a global positive solution in the case of M= R x Σ will be presented. T2 - The Yamabe problem on globally hyperbolic Lorentzian manifolds KW - Yamabe-Problem KW - Yamabe problem KW - wave equation KW - globally hyperbolic KW - global-hyperbolisch KW - Wellengleichung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-486012 ER -