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定义Definition

圆盘 Poisson 核

Poisson kernel on the disk · Poisson integral formula on the disk

用非负边界权重构造单位圆盘调和延拓的核,其频率权重按半径的幂次衰减。

形式陈述 ​

圆周上的边界温度已知,怎样直接算出圆盘内部的无源平衡温度?对 0≤r<1,圆盘 Poisson 核定义为

Pr(t)=1−r21−2rcos⁡t+r2=∑k∈Zr|k|eikt.

先设 f 是实值连续的 2π 周期边界函数。它的 Poisson 积分为

u(reiθ)=12π∫−ππPr(θ−φ)f(φ)dφ.

这个 u 在开圆盘光滑,是调和函数,即满足 Laplace 方程 Δu=0,并且连续延伸到闭圆盘,在边界取值 f。它是具有这些资格的唯一解。

核与边界数据之间是上述圆周积分卷积;圆周测度规范化为 dφ/(2π)。若 f∈Lp(T)、1≤p<∞,同一公式仍在内部定义调和函数,且 u(rei⋅)→f 于 Lp。这个范数结论本身不声明在每一个边界点连续。复值数据对实、虚部分别作同一构造;唯一性也分别应用实值最大值原理。

直觉

站在圆心时,所有方向等权:P0=1,所以 u(0) 是边界平均。向某个边界点移动,那个方向附近的权重升高,其余方向的权重下降;内部温度始终是整个边界的一次非负加权平均。

从Fourier 展开看,第 k 个角向频率进入半径 r 后乘以 r|k|。高频的边界细节向内衰减更快。沿径向趋近边界时 r↑1,这种衰减逐渐解除,边界数据被恢复。

这个核与概率论的 Poisson 分布同名,却不是离散计数概率。这里的变量是角度,积分为一是在圆周测度下说的。

例子与边界

三个边界模态,一次精确延拓 ​

取

f(θ)=1+2cos⁡θ−sin⁡2θ.

每个频率乘上相应半径幂,得到

u(r,θ)=1+2rcos⁡θ−r2sin⁡2θ.

写回直角坐标,rcos⁡θ=x、r2sin⁡2θ=2xy,所以

u(x,y)=1+2x−2xy.

两次偏导均为零,故 Δu=0;令 (x,y)=(cos⁡θ,sin⁡θ) 又恢复边界值。在 (0,1/2) 处 u=1,在 (1/2,1/2) 处 u=3/2。这是一份可同时核对方程、边界和内点读数的解。

权重如何集中 ​

选定面向角度零的点。核在最近和最远方向的值为

Pr(0)=1+r1−r,Pr(π)=1−r1+r.

r=1/2 时分别为 3 与 1/3;r=4/5 时为 9 与 1/9。峰值增大并不增加总质量,而是把原有质量压向更窄角区。

若边界函数在零处跳跃,不能要求积分在该点恢复一个任意指定的值。对有左右极限的有界数据,偶核给出的径向极限是两侧平均。一般 Lp 边界数据的几乎处处径向极限还有更强的边界定理支撑,不能只由 Lp 收敛自动推出全体半径的逐点收敛。

推论与应用

从几何级数得到核 ​

由于 r<1,正负频率的级数都绝对收敛。相加得到

1+reit1−reit+re−it1−re−it=1−r21−2rcos⁡t+r2.

每个非零频率的积分为零,常数系数为一,故 ∫Prdm=1。分母为 |1−reit|2>0,所以核非负。

若 δ≤|t|≤π,分母在 r↑1 时与零保持正距离,而分子趋零。因此这些角区的质量趋零,Pr 构成近似恒等核。连续边界的一致恢复与有限 Lp 恢复便由其逼近定理给出。

内部为何满足 Laplace 方程 ​

对连续边界,先用Fourier 级数的系数约定。更一般的 L1 边界也可用同一积分定义系数;下述论证不要求其普通 Fourier 部分和收敛。系数满足 |f^(k)|≤‖f‖L1(dm)。在任意较小闭圆盘 r≤r0<1 中,r|k| 的几何衰减压过求导产生的任意有限次 |k| 因子,因此可以逐项求导。

对 k≥1,rkeikθ=zk,而 rke−ikθ=z¯k;它们的实部与虚部都调和。于是

u(r,θ)=∑k∈Zf^(k)r|k|eikθ

在内部调和。这项论证同时给出内部任意阶光滑性,没有把粗糙边界数据误当成光滑数据。

唯一性来自最大值原理:两个连续到边界的调和解之差在边界为零,差及其相反数都不可能在内部超过零。因此差恒为零。

核的正性还给稳定性。两份边界数据 f,g 的解满足

|uf(z)−ug(z)|≤‖f−g‖∞(|z|<1).

这说明一个明确的边界误差预算如何传到整个圆盘。它属于连续边值问题的性质,与离散网格采用哪种求解器是不同层次。

参考资料
  • R. K. Srivastava,MA746: Fourier Analysis,§1.6,Lemma 1.35 及 Abel 求和讨论:Poisson 核、质量集中和频率权重。
  • Terence Tao,Lecture Notes 3 for 247A,§3,pp. 19–20:圆盘 Poisson 表示及正核的范数控制。本文采用周期 2π,与讲义的单位周期约定相应换元。
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