“这里的 $H^2$ 范数使用所有至多二阶弱导数。定理增加了弱导数的可积阶数;它不直接断言 $u$ 是经典 $C^2$ 解。若另已知道对象是非负调和函数,Harnack 不等式可以控制内部点值…”
形式陈述
最大值原理用整条边界控制内部。若只知道一个内部位置的正温度,能否限制附近所有位置的温度比例?非负调和函数有这样的 Harnack 控制。
设
这里
可以把紧集用有限条内含球链连起来;常数反映离边界的余量和链的长度,不依赖具体
直觉
非负性让一个大球内的总量能够控制任意较小子球内的总量,因为没有负值抵消。平均值性质又把这些总量转回球心值。两个中心稍微错开的球因此可以互相比较。
沿着一串重叠球重复这个过程,就把一个位置的规模传到另一个位置。越接近边界,能容纳的球越小,所需链条可能越长;这解释了为何常数通常不能一直保持到边界。
例子与边界
圆盘中的更精确比较
对单位圆盘中的非负调和函数,在半径
先在稍大的内圆上表示
它是
符号和边界都不能忽略
上面的正函数在
推论与应用
两个球的包含关系给出局部界
取任意
因为
另一方面,
两式相除或直接合并,得到
从局部球走到紧集
在连通开集内,两点可由完全留在区域内部的折线路径连接。固定起点,可用有限折线到达的点集相对开,其补集也相对开:每个点都有内含小球,球中的直线段可延长已有路径。可达集非空,连通性于是迫使它等于整个区域。路径像是紧的,与边界有正距离;用足够小的球沿路径覆盖,就得到有限个重叠球,每一步都能应用上一节的比较。
对整个紧集,可先用有限个这样的内球覆盖,再为其有限个中心选连接路径。所有这些球和路径合在一起仍是区域内部的紧集,因而只需要有限次比较,形成一个共同常数。不能仅用“每一对点都有某个常数”就跳到“所有点共用同一个常数”;有限覆盖正是补上的统一性。
一个直接推论是:连通区域内的非负调和函数若在某个内部点为零,就恒为零。另一个推论处理单调函数列:若
这与一般光滑函数列截然不同。普通光滑性不允许从一个点的数值控制整个内部区域;真正起作用的是正性、平均规律和区域连通几何的组合。
参考资料
- John K. Hunter,Notes on Partial Differential Equations, Chapter 2,§2.4,Theorem 2.22 及重叠球证明:局部比较常数与内部球链。
- 圆盘显式上下界由本文链接的 Poisson 核最大、最小值直接推出;正调和边界尖峰在正文核算。