形式陈述
热流在一段时间内的最高温度,需要从哪一部分边界寻找?时间方向使答案不同于把时空柱的整个几何边界一视同仁。
设 d ≥ 1 ,Ω ⊂ R d 是非空有界开集,T > 0 ,令
Q T = Ω × ( 0 , T ] , ∂ p Q T = ( Ω ― × { 0 } ) ∪ ( ∂ Ω × [ 0 , T ] ) . ∂ p Q T 称为抛物边界:它包含初始面和侧壁,不包含空间内部的终时面。设实值函数 u 连续到闭时空柱,在正时间内部具有连续的两阶空间导数和一阶时间导数,并满足
u t − Δ u ≤ 0. 则
max Ω ― × [ 0 , T ] u = max ∂ p Q T u . 这是热方程 公理库 偏微分方程 Partial differential equation · PDE 含未知多元函数及其偏导数的方程。 的弱最大值原理。扩散系数 κ > 0 时可将 Δ 换成 κ Δ ;若加入反应项,则需要核对它的符号或作指数变换。
直觉
一处新出现的最高温度,空间上不低于周围,所以 Laplacian 不大于零;如果这是此前从未出现过的更高温度,时间上又必须在增加。两者组合会迫使 u t − Δ u 为正,与没有正热源的不等式冲突。
终时面是已经演化到的结果,不是另加的数据入口。它当然可能包含一个全局最大点,但原理说同样高的值已经在初始面或侧边界出现;不能靠另给终时值来替代缺少的初始条件。
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例子与边界
有热源时,加入一条随时间上升的比较线
设 | F ( x , t ) | ≤ M ,u t − Δ u = F ,而初始面及侧边界都满足 | u | ≤ A 。令 v = u − M t ,则
v t − Δ v = F − M ≤ 0. 在抛物边界上 v ≤ A ,所以 u ≤ A + M t 。对 − u 重复,得到
| u ( x , t ) | ≤ A + M t . 在区间 ( 0 , π ) 上取 F ( x , t ) = sin x ,初始和两端边界均为零。显式解是 u ( x , t ) = ( 1 − e − t ) sin x ,实际最高温度为 1 − e − t ,确实不超过本页给出的 t 。例如 t = 1 时,精确最高温度约为 0.6321 ,而不依赖源项空间形状的统一上界为一。
反应项会创造新的峰值
在区间 ( 0 , π ) 上,函数 u ( t , x ) = e t sin x 满足
u t − u x x − 2 u = 0. 它在两侧边界为零,初始面上最大值为一,却在终时内部点 x = π / 2 取到 e T > 1 ,确实超过了全部抛物边界数据。本页定理不能用于它,因为 u t − u x x = 2 u > 0 。对带正增长反应的方程,常需令 v = e − c t u 消去或控制反应项,再讨论最大值原理。
整空间也不能直接把“侧边界为空”当成证明完成;空间无穷远仍可能输入无法控制的增长。热核 公理库 热核 Heat kernel · Gaussian heat kernel 整空间单位热量的 Gaussian 演化核,通过卷积构造热方程解,并把时间相加转为核的卷积半群。 页在有界解类中用二次屏障补上这一步。
推论与应用
严格时间扰动的证明
给定 ε > 0 ,令 v = u − ε t ,则
v t − Δ v < 0. 由连续性和有界闭时空柱的紧性,极值定理 公理库 极值定理 Extreme value theorem 连续实值函数在非空紧空间上取得最大值和最小值。 保证 v 取到最大值。假设最大点 ( x 0 , t 0 ) 不在抛物边界,则 x 0 ∈ Ω 、t 0 > 0 。
固定这个时刻,空间极大值给 Δ v ( x 0 , t 0 ) ≤ 0 。若 t 0 < T ,时间导数为零;若 t 0 = T ,从左侧差商得 v t ( x 0 , T ) ≥ 0 。两种情形都给
v t ( x 0 , t 0 ) − Δ v ( x 0 , t 0 ) ≥ 0 , 与严格不等式矛盾。因此 v 的最大值在抛物边界,得到
u ( x , t ) ≤ max ∂ p Q T u + ε T . 让 ε ↓ 0 完成证明。注意终时面上的时间导数不必等于零;只需要左导数非负,这正是把终时面纳入结论而不当作输入边界的关键。
比较、正性与唯一性
若 u t − Δ u ≤ v t − Δ v ,且 u ≤ v 于抛物边界,对差 u − v 使用原理便得整个时空柱上 u ≤ v 。同一方程、同一初边值的两个经典解互相比较,因此相等。
若源项非负、初边值非负,对 − u 使用原理可得解非负。若两组数据的初边值误差至多 η 、源项误差至多 M ,则比较 u − v 与 η + M t ,得到
| u ( x , t ) − v ( x , t ) | ≤ η + M t . 这是一份可用于核验显式解和近似模型的连续误差保证。离散格式是否也保持类似上界,是另一项需要检查的性质:显式热方程差分 公理库 偏微分方程有限差分法 Finite-difference method for PDE · Finite-difference PDE discretization · Difference stencil 由 Taylor 展开构造 PDE 差分模板,完整处理编号与边界,并用小系统、离散能量和制造解检验计算。 通常依赖更新权重非负及相应步长条件,不能只因连续方程有最大值原理就自动继承。
椭圆最大值原理 公理库 椭圆最大值原理 Elliptic maximum principle · Maximum principle for harmonic functions 有界区域内的次调和函数由边界上界控制;若在连通内部达到全局最大值,平均不等式迫使它恒定。 只处理空间平衡;本页的证明还利用了时间方向。两者共享“不能产生新的内部上界”的思想,但数据所在的边界和导数符号逻辑不同。
参考资料
Stanford Math 220B,The Heat Equation ,§2.8,Theorems 17–20:抛物边界、最大值原理、整空间增长条件与唯一性。本文单独展开终时面左导数的符号。