第二章 调和方程

1方程的物理背景和定解问题

1.

验证 Laplace 算子 维极坐标 下以及 维球坐标 下的形式:

方法 I. 维坐标 的参数化是从而于是由此相加得

维坐标 的参数化是 以及 维情形的计算结果, 有相加得其中 , 且

方法 II. 我们用流形上 Laplace 算子来解题, 其中 是 Hodge 星算子.

(预备知识见 [Jo] 3.3 节, 尤其是 pp.106,110. )

维极坐标有转换 , 则推出从而 构成一组标准正交基, 于是有 . 由此,

维有球坐标转换 , 则推出从而 构成一组标准正交基. 由此,

注:

维时, Laplace 算子有如下的形式.

公式. 上, Laplace 算子在极坐标下的表达式为其中 唯一地写成 , 单位球面 上的度量诱导自这个嵌入, 相应地有球面上的 Laplace 算子 .

证明.

证明. 的坐标是 , 上的标准度量就是这里 上的标准度量, 最后一个等号是因为 推出 .

再设 的局部坐标是 , 以及 , 就有 上的标准度量在坐标 下等于换言之, 系数矩阵 .

Riemann 流形上的 Laplace 算子的坐标表示为 (见大多数 Riemann 几何教材, 如 [Jo] (3.1.20), p.92) 其中 , 矩阵 .

现在 , 有 , , 其中 , . 因此

4.

, 由于 , 有 .

回忆: , .

6.

为单位球 , 构造下述方程非常数的解: 由于边界条件, 考虑形如 的特解, 这里 , 的一个特征函数且不是常数, 也就是 , 且 不恒为 . 故说明特征值 . 根据 Laplace 算子的极坐标表达式, 试着取 , 则 . 边界条件进一步要求于是令 , 其中 的两个根.

注:

特征函数 的存在性可用变分法说明: 设这里的 是 Sobolev 空间 (不是 de Rham 上同调群) , 是说 .

取一个极小化序列 (是指 ) 满足 . 由于 有界, 抽取子列后 下弱收敛于某个 . 由 Rellich 定理, 再次抽取子列后 下强收敛于 . 因为, 并且 说明 ; 对一切 可得积分得常数 , 系 .

类似地, 设已有特征函数 , 通过研究可得特征值 以及对应的 . 对 反复用椭圆正则性, 得到 , 这里的 是 de Rham 上同调群 (不是 Sobolev 空间) . 具体的过程见 [Jo] 3.2 节.

事实上可以算出 从小到大第 个不同的正特征值为 , 见 [Ta II] Chapter 8 Corollary 4.3.

7.

是上一题的特例, 参数化为 , 的特征值是 , 的根是 , 从而于是是这个方程的解.

9.

方法 I. (来自 [Ax] Proposition 4.6) 对多项式 计算 , 再用稠密性得出结果.

引理. 上的齐次多项式, 次数为 , 简记 , 有

证明., 诸 , 那么另外, 于是, 以上是引理的证明. 下面说明 .

(其推论是, 特别地, 如果 , 那么 . )

是齐次多项式, 次数为 , 由引理 ( 的含义同上) , 最后的等号是因为 变换为 (注意 的次数为 ) 由线性, 命题对 是多项式 (未必齐次) 同样成立, 又由于 中多项式是局部上稠密的 (用 Stone–Weierstrass 定理) , 命题进一步对 成立.

方法 II. 用前面给出的 Laplace 算子的表达式来计算.

设极坐标下 , , 则 . 这样故有于是当 .

方法 III. 直接计算. 过程较复杂, 隐藏了.

1个回答被折叠 (为什么? ) .
1 个回答被折叠 (为什么? ) .对于 , 计算得到其中第 4 个等号是因为 以及倒数第 2 个等号则是因为, 对取定的 , 有

2调和函数的基本性质与应用

2.

就是一族球面 拼成的; 对所有的球面成立平均值原理, 则球亦然. 写出来是

6.

对任意 , 由平均值性质, 对任何 , .

8.

, 对 , 上的非负调和函数.

注:

, 结论不再成立, 比如 上的下有界的调和函数 一定是常数: 注意到下图的 上的下有界的调和函数, 故是常数.

9.

通过平移, 对非负调和函数 证明即可.

方法 I. 对任意 , 由梯度估计, 对任何 成立, 令 . 于是 为常数.

方法 II. 对任何两点 , 记 ,

10.

方法 I. 对距离小于 , 由 得到 .

取大约 个点 使 , 那么 .

方法 II. 由梯度估计, 对 , 有

3极值原理及其应用

1.

是有界开集, 且不妨设 连通.

先考虑 的情况. 假设 内部某点取到最大值, 那么在该点 , 且 是半负定对称阵, 则 (对 是正交阵, 令 ) . 记 , 有 , 矛盾.

, 取 , , 则 . 由于 , 取 很大就有 , 于是 . 令 就有 .

注: 更一般的结果如下, 证明完全相同. 更多结论见 [GT] 3.1 节.

弱极值原理. 满足其中 是有界函数, 且 是严格椭圆的, 即 对所有 以及某常数 成立, 则 代替 , 得到 .

2.

非空, 假设 , 作与 相切的球 , 对 使用强极值原理得到球内在切点附近 的值更大, 矛盾.

3.

直接证明更一般的结果, 是 Hopf 极值原理的一种情形. 更多结论见 [GT] 3.2 节.

强极值原理. 满足其中 是有界函数, 且 是严格椭圆的. 若并且存在与 相切于 的球 , 则对任何向外的方向 (即 ) 有

不妨设 , 取 的邻域 . 考虑 上的函数 均待定. 现在说明 , 只需验证 . 事实上, 由于 , 取 很大就有上式 .

由弱极值原理, 的最大值在 上取到; 而 的最大值又在 取到, 这是因为:

, 于是 ;

, , 这只需要 相对于 很小即可.

因此 的最大值在 取到. 那么于是有

6.

9.

注: 调和多项式的基本知识见 [Ax] Chapter 5, 尤其是从中可以看出, 为何似乎没什么关联的调和分析与调和函数两者却共用了 “调和” 之名 (pp.81–2) .

4Green 函数法

2.

[2] 对任意给定的 , 由于 上的调和函数, 对任意的 , 上面的大于等于不能取等号, 不然 是常数, 然而 .

由于 上的调和函数,

[4] Green 恒等式中取 为常数 .

[3] 令 , 是调和函数. 取 , 由 Green 公式,

上是 , 于是

由于 , 以及 , 在上式中让 得到 , 即 .

6.

求 Neumann 问题解的表达式. 首先, 写出 Green 恒等式 的调和函数 (且无奇点) , 有由此, 的表达式是 ; 其背后的想法是这样的:

本来 Dirichlet 问题中, 对于 , 是有的, 而 没有; 故而引入 , 使得 , 从而干掉 .

现在对于 Neumann 问题, 对于 , 有的是 , 而 却没有; 所以要引进 , 使得 Neumann 函数 满足 , 用来干掉 .

这就是说, 要取满足以下条件的 : 对于 的调和函数 (和 ) , 同样有 得到 的表达式不过, 以上是毛利大叔给出的解答. “あれれ, ” 细心的柯南立刻指出了两个问题:

“好奇怪哦, 相差一个常数 明明都是 Neumann 问题的解, 而 却是完全确定的表达式; 就算 能相差一个常数 , 也就相差了 , 可是相容条件却表明, 即使 平移 , 也不影响 的值. 还有, 留意到以及这两个式子说明, 其实是自相矛盾的. ”

(... 省略不少剧情...) 以下是柯南作出的推理:

由于不同的 可以相差一个常数, 一开始就应该有所假设: 比如说限定这样固定住了 , 无法平移. 并且, 为了解决 带来的矛盾, 其定义需调整为这样, 实际上给出的是这时有人问道, 这一切都不过是你的推理而已, 有什么证据说明确实有这样的 存在吗? 一般来说, 这类问题都是求锤得锤的, 而且预示着案件的结束, 此次也不例外. 大概不太有人知道, 柯南除了变声器、麻醉手表等装备, 居然还有 [Ta I] 一书; 柯南把书翻到了 Chapter 5 Proposition 7.7, 给出了 的存在性的确凿证据, 全集终.

9.

用静电源像法.

(1) 设 关于圆周的反演点是 , 关于直径的对称点是 , Green 函数为

(2) 设 关于 的对称点是 , 关于 的对称点是 , Green 函数为

14.

由第 11 题, 只需证明 满足平均值性质. 回忆平均值性质的证明过程, 只需证明对任何球 成立 .

, ;

均相交, 记 上的单位外法向量, 方向相反, 则

5特征值问题

1.

对于 即是 , 说明 , 有非零解当且仅当 , 此时的解为 . 若还要 , 那么 .

而对于 , 都只有零解.

2.

对于 , 记 , 有两边的 次幂关于 积分, 得到注: 更多的 Poincaré 不等式, 见 [Le] 13.2 节.

3.

正交是因为, 对 由于 , 要说明 是完备系, 只需说明任何 可以用 的线性组合在 范数下逼近: 事实上,

0.

本题来自以前的讲义, 是要证明 Sturm-Liouville 定理, 即定理 2.5.1.

另一解法见 [Sa] Theorem 8.3 (p.117).

1.

特征值 非负是因为 当且仅当存在特征函数 使 , 当且仅当 .

设特征值 对应的解为, 代入边界条件得方程组有解 , 等价于分类讨论可以说明 (详见 [Zh] 定理 3.6) 所有特征值是并且有渐近公式 .

2.

首先, 根据表达式有 .

不同特征值的特征函数 是正交的, 这是因为最后一步中, 在 表明由边界条件, 同一特征值的特征函数空间只有 维.

第一、第二类边界条件下, 特征函数全体的完备性是标准的 Fourier 级数结论; 涉及第三类边界条件需要用自伴紧算子的性质.

3.

非常大时, 快速振荡, 范数与 范数差不多大: 具体来讲, 设 , 有因此对于 收敛的级数

参考文献

[Ax]

S. Axler, et al. Harmonic Funtion Theory. Graduate Texts in Mathematics 137. Springer, 2001.

[GT]

D. Gilbarg and N. S. Trudinger. Elliptic Partial Differential Equations of Second Order. Classics in Mathematics. Springer, 1998.

[Jo]

J. Jost. Riemannian Geometry and Geometric Analysis. Universitext. Springer, 2011.

[Le]

G. Leoni. A First Course in Sobolev Spaces. Graduate Studies in Mathematics 181. Amer. Math. Soc, 2017.

[Sa]

F. Sauvigny. Partial Differential Equations 2. Universitext. Springer, 2012.

[Ta I]

M. E. Taylor. Partial Differential Equations I. Applied Mathematical Sciences 115. Springer, 2011.

[Ta II]

M. E. Taylor. Partial Differential Equations II. Applied Mathematical Sciences 116. Springer, 2011.

[Zh]

周蜀林. 偏微分方程. 北京大学数学教学系列丛书. 北京大学出版社, 2005.